南科大李辉课题组在电解水制氢领域接连取得新进展

氢能作为一种清洁且极具发展潜力的新能源，受到了世界范围内的极大关注。各国纷纷将氢能作为未来能源发展的方向之一。电解水制氢技术是氢能产业链中关键的一环，甚至是瓶颈。以丰富的太阳能、风能和核能等可再生能源为基础，电解水制氢系统可作为纽带，将分散、不可控、难以经济利用的可再生能源转化为便于储运、可控利用、清洁环保的氢能，被视为通向“氢经济”的最佳途径。

南方科技大学材料系李辉教授回国后开始筹建以酸性电解水制氢（PEMelectrolysis）为主的“深圳市氢能技术重点实验室”，旨在填补国内在该领域的技术空白以及为实现氢能技术的产业化打造基础。目前，李辉团队在电解水制氢领域已经取得重大进展，基础科研方面，博士生冯其及张震同学相继在国际知名学术期刊《Applied Catalysis B: Environmental》(影响因子：11.69)，《Journal of Materials Chemistry A》(影响因子：9.93)，《ACSApplied Materials & Interfaces》(影响因子：8.09)以第一作者身份发表研究论文，并在《Journalof Power Sources》(影响因子：6.94)发表一篇综述文章。

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李辉和学生讨论问题

在PEM电解水制氢中，酸性体系下阳极析氧催化剂多采用RuO2和IrO2，但是其价格非常昂贵，如何在保证高催化活性的条件下降低Ir、Ru的用量是目前迫切需要解决的问题。鉴于此，李辉课题组在A2Ru2O7−δ钌烧绿石氧化物结构的基础之上，利用Zn2 掺杂Y基钌烧绿石氧化物，得到Y1.85Zn0.15Ru2O7−δ阳极析氧催化剂，其在290mV的低电位下即可获得10 mA cm-2的电流密度，活性明显高于商用IrO2催化剂。除此之外，在PEM单电池测试中依然表现出较高活性（图1）。相关结果已发表在《Applied Catalysis B: Environmental》，题目为”Highlyactive and stable ruthenate pyrochlore for enhanced oxygen evolution reactionin acidic medium electrolysis”。

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图1：PEM单电池结构设计图（a）与实物图（b），相关性能测试（c，d）。

对于阴极析氢（HER）催化剂，寻找可替代铂且价格相对低廉的高效催化剂也是目前的研究热点。李辉课题组近日基于密排六方结构（hcp）Ru催化剂，通过掺杂过渡金属Mo元素，对hcpRu催化剂的氢结合能进行了有效调控，首次报道了hcpMoRu3合金结构（图2）在HER催化领域的优异性能，无论是三电极测试体系还是单电池测试下，均表现出出色性能，是有望替代Pt的新型催化。

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图2：HRTEM(a)and FFT patterns (b) for hcp MoRu3。

相关结果已发表在《Journalof Materials Chemistry A》，题目为”Momodulation effect on the hydrogen binding energy of hexagonal-close-packed Rufor hydrogen evolution”。此外，为了进一步降低Ru的使用量，团队制备出低载量Ru修饰的Mo2C复合催化剂，并原位负载于三维多孔碳载体中（图3）。通过Ru对Mo2C电子结构的调控，有效改善了氢结合能，在酸性体系下相对单纯Ru与Mo2C材料，HER催化性能得到明显提升，而且其合成方法相对简单，相关结果已经发表在《ACSApplied Materials & Interfaces》，题目为”ScalableSynthesis of a Ruthenium-Based Electrocatalyst as a Promising Alternative to Ptfor Hydrogen Evolution Reaction”。

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图3：Ru@Mo2C复合催化剂析氢示意图。

在PEM电解水电堆设计方面，李辉教授有着非常丰富的经验，从CCM（Catalyst-CoatedMembrane，简称CCM）、扩散层、双极板等关键部件的设计优化，再到单电池的组装与电堆的集成，该团队已经做出众多技术上的突破。针对电堆寿命衰减机理与衰减防控方面，李辉老师结合实际经验与相关文献，在知名期刊《Journalof Power Sources》上发表题为”Areview of proton exchange membrane water electrolysis on degradation mechanismsand mitigation strategies”综述文章。除此之外，该团队已经申请近二十篇相关专利，在电解水制氢领域已经掌握多项核心技术，其小型电解水电堆亦验收成功，各项性能均已达到相关指标要求。