KIST推出新一代水電解催化劑技術(shù)，貴金屬用量降至1.5%

綠色氫氣生產(chǎn)技術(shù)利用可再生能源生產(chǎn)不產(chǎn)生碳排放的環(huán)保氫氣，正作為應(yīng)對(duì)全球變暖的核心技術(shù)之一受到廣泛關(guān)注。綠色氫氣通過電解水生產(chǎn)，即通過向水中施加電能將氫和氧分離的過程，因此需要低成本、高效率、高性能的催化劑。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）院長(zhǎng)Oh Sang-rok宣布，由極端材料研究中心的Na Jongbeom博士和Kim Jong Min博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出下一代水電解催化劑技術(shù)。該技術(shù)將一種在原子層面精確控制的單原子“一體化”（All-in-one）催化劑與無粘結(jié)劑電極技術(shù)相結(jié)合。該技術(shù)的一大特點(diǎn)是：能夠在同一電極上同時(shí)穩(wěn)定地進(jìn)行析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)。

傳統(tǒng)電解系統(tǒng)存在局限性：析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）通常需要不同的催化劑和電極結(jié)構(gòu)，因此必須使用大量昂貴的貴金屬。此外，用于將催化劑固定在電極上的粘結(jié)劑也存在問題，包括降低電導(dǎo)率以及在長(zhǎng)期運(yùn)行中催化劑脫落。

KIST研究人員利用原子級(jí)精密控制技術(shù)，將銥（Ir）原子均勻分散在含有植酸的錳（Mn）-鎳（Ni）基層狀雙氫氧化物（LDH）載體表面。這種策略替代了傳統(tǒng)使用塊狀銥貴金屬的方法。通過在水分解反應(yīng)中以極少量銥實(shí)現(xiàn)最大化的活性位點(diǎn)數(shù)量，這種方法類似于將細(xì)沙均勻鋪滿大面積表面，而不是依賴一塊巨大的石頭。

特別是，銥單原子通過與載體之間的強(qiáng)相互作用，作為析氫反應(yīng)的直接活性位點(diǎn)，同時(shí)還能提升鎳基活性位點(diǎn)的催化性能，而該位點(diǎn)正是析氧反應(yīng)發(fā)生的地方。因此，這種單原子催化劑實(shí)現(xiàn)了雙功能催化特性，能夠同時(shí)適用于兩種反應(yīng)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還采用在電極表面直接生長(zhǎng)催化劑的方法，形成了無需額外粘結(jié)劑的電極結(jié)構(gòu)。這一方式顯著提高了電導(dǎo)率，并在長(zhǎng)期運(yùn)行中保持了優(yōu)異的耐久性。

與現(xiàn)有貴金屬催化劑相比，該技術(shù)將貴金屬用量降低到僅約1.5%，同時(shí)在析氫和析氧反應(yīng)中都實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能。此外，在陰離子交換膜（AEM）水電解系統(tǒng)中連續(xù)運(yùn)行超過300小時(shí)后，仍然表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性，性能衰減極小。

這一研究成果表明，通過減少貴金屬使用量并簡(jiǎn)化電極結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)提升電解系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和耐久性。該技術(shù)預(yù)計(jì)將為綠色氫氣生產(chǎn)的商業(yè)化以及降低制氫成本作出重要貢獻(xiàn)。

KIST的Na Jongbeom博士表示：“這項(xiàng)研究意義重大，因?yàn)樗ㄟ^一種催化劑解決了氫氣生產(chǎn)所需的兩種關(guān)鍵反應(yīng)，同時(shí)減少了貴金屬的使用。這項(xiàng)技術(shù)將加速水電解設(shè)備的商業(yè)化，并為氫能的推廣提供重要支持。”

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）成立于1966年，是韓國(guó)首個(gè)政府資助的研究機(jī)構(gòu)。KIST目前致力于通過領(lǐng)先和創(chuàng)新研究解決國(guó)家和社會(huì)挑戰(zhàn)，并推動(dòng)新的發(fā)展動(dòng)力。

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202506645

（素材來自：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）