通過質子交換膜水電解(PEMWE)制取綠色氫氣面臨著經濟可行性方面的挑戰,這主要是因為對貴金屬催化劑的依賴。雖然成本效益較高的Ru基催化劑有望替代用于陽極OER反應的昂貴Ir基催化劑,但是在高電流密度下,Ru基催化劑的長期性能可能因為過度氧化而受到影響。
有鑒于此,韓國基礎科學研究院/首爾大學Yung-Eun Sung、Taeghwan Hyeon、高麗大學Byoung-Hoon Lee、慶熙大學Minho Kim等為應對這一挑戰,提出了一種協同雙位點策略,在原子尺度上將高價態d0金屬陽離子摻入RuO2中。這種合成方法產生均勻分布Ru–O–d0金屬鍵,有效地解決活性和穩定性之間的權衡。
本文要點:
(1)
優化后的Ta1/RuO2催化劑展現出了卓越的性能,其過電位僅為(164 ± 2)mV,并且能夠在100 mA cm–2的電流密度下穩定運行1000小時。在實際的質子交換膜水電解槽系統,Ta1/RuO2在2 A cm–2的電流密度下可實現(1.58 V電壓,超過美國能源部的2026年目標,并且在500 mA cm–2的電流密度下能夠在650 h保持出色的穩定性。
(2)
這一突破提供了一種活性高且耐用的質子交換膜水電解系統,適用于工業規模的應用。
參考文獻
Jaehyuk Shim, Kangjae Lee, Yunjae Yu, Hyeon Seok Lee, Heejong Shin, Kug-Seung Lee, Megalamane S. Bootharaju, Sanghwi Han, Gyu Seong Yi, Hyojoo Ko, Sihwa Lee, Jaeyune Ryu, Minho Kim*, Byoung-Hoon Lee*, Taeghwan Hyeon*, and Yung-Eun Sung*, Atomically Dispersed High-Valent d0-Metal Breaks the Activity–Stability Trade-Off in Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, J. Am. Chem. Soc. 2025
DOI: 10.1021/jacs.5c00936
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00936