氢能是关系国家未来的重大新兴产业。据国际能源署预测，到2050年，全球氢气需求将达到约1亿吨，其中大部分来源于绿氢。然而，在绿氢产业化进程中占据重要地位的质子交换膜电解水技术(PEMWE)，却面临催化剂性能问题的挑战。想要满足未来绿氢产业的需求，开发一种低成本、高效且稳定的催化剂，成为全球学术界和工业界迫切需要解决的核心问题。
复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕合作团队通过创造性的“熟化诱导嵌入方法”，合成了具有极高催化活性和稳定性的铱/铈嵌入式负载催化剂，在减少贵金属用量的同时显著提高了绿色氢气的生成效率，为绿色氢能的可持续发展奠定了新基础。相关研究成果于2月14日发表在《科学》上。
在绿氢的生产过程中，PEMWE电解水技术是当前最为前沿的技术之一。PEMWE依赖于析氧反应催化剂，这一催化过程的效率直接决定了整个电解水反应的能效与经济性。
目前，铱和其氧化物是唯一可以在PEMWE阳极的强酸性环境下稳定工作的催化剂，但其高昂的成本和稀缺性限制了其大规模应用。此外，现有的铱基催化剂因催化活性和稳定性有限，尚无法满足未来绿氢产业的需求。
“这是因为现有的催化剂看上去就像我们早餐吃的麻球，‘麻球’表面的‘芝麻’就是氧化铱，正是这些‘芝麻’在发挥催化作用。”张波打比方说，但这种结构就导致电解水制氢过程中会产生大量气泡，不断冲刷催化剂，使得“芝麻”易脱落。
如何才能让“芝麻”不容易脱落?张波想到了牙齿：“牙齿是种在牙床上的，如果把‘芝麻’一半嵌在麻球里，一半露在外面，那么气泡再冲刷，‘芝麻’也不会轻易脱落。”如此，就能显著提升绿氢制备过程中的反应效率和催化活性，同时减少铱的使用量。
在“麻球”上“种芝麻”的想法提出后，研究团队通过严密的理论计算和先进的电镜原位观测，寻找到了能够让“麻球”生长的速度和表面“芝麻”生长的速度相匹配的实验条件，然后利用纳米晶体在超声和加热作用下发生自发长大过程，将铱及其氧化物纳米颗粒嵌入在氧化铈载体中，最终形成了一种稳定高效的负载型催化剂。
研究团队对该催化剂进行了长达6000小时的PEMWE工况测试显示，熟化诱导嵌入方法有效防止了铱颗粒的溶解、脱落和团聚，显著提高了催化剂在长期运行中的活性和稳定性。
据了解，未来研究团队将进一步拓展低成本、高活性、高稳定性的催化剂材料的研究，为绿色氢气生产提供更多创新方案。此外，研究团队还计划依托复旦大学孵化的山海氢(上海)新能源科技有限公司，进一步推广技术落地产品化。
