近日，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊在質(zhì)子交換膜電解水（PEMWE）非貴金屬陽極催化劑研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。該研究成功開發(fā)出一種具有自修復(fù)功能的鑭摻雜鈷錳氧化物（LCM）陽極材料，在工業(yè)級電流密度下實現(xiàn)了長達(dá)1200小時的穩(wěn)定運行，相關(guān)成果在線發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》。
可再生能源驅(qū)動的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)是實現(xiàn)綠氫規(guī)模化生產(chǎn)、推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵路徑之一。然而，當(dāng)前PEMWE技術(shù)嚴(yán)重依賴銥（Ir）等貴金屬作為陽極催化劑，其資源稀缺性和高昂成本極大限制了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。開發(fā)高性能、高穩(wěn)定性的非貴金屬陽極材料，成為推動PEMWE商業(yè)化應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。
有鑒于此，研究團(tuán)隊基于“動態(tài)穩(wěn)定”的設(shè)計理念，通過La3+摻雜策略，成功構(gòu)建了一種具有自修復(fù)功能的鈷錳氧化物（LCM）陽極材料。La3+的大離子半徑和穩(wěn)定氧化態(tài)有效增強(qiáng)了陽極材料晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并引入大量氧空位，促進(jìn)了活性位點（Co物種）在工作電位下的動態(tài)溶解-再沉積平衡，從而實現(xiàn)了在嚴(yán)苛酸性環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行。為深入理解電位對溶解-沉積過程的調(diào)控作用，團(tuán)隊系統(tǒng)比較了2 A cm?2與6 A cm?2電流密度下的金屬離子溶出行為，發(fā)現(xiàn)較高電流密度可顯著促進(jìn)再沉積過程，從而更快實現(xiàn)動態(tài)平衡。這一電位依賴的動態(tài)自平衡機(jī)制，是LCM實現(xiàn)結(jié)構(gòu)“自修復(fù)”并維持長期運行穩(wěn)定的關(guān)鍵。最終，該LCM陽極在PEMWE系統(tǒng)中表現(xiàn)出卓越的電催化性能與穩(wěn)定性：在2 A cm?2電流密度下可持續(xù)運行1200小時，在5 A cm?2高電流密度下也能穩(wěn)定運行200小時，總電荷轉(zhuǎn)移量達(dá)到106 C cm?2，遠(yuǎn)超此前報道的非貴金屬陽極材料。通過原位光譜技術(shù)和理論計算進(jìn)一步揭示，La摻雜不僅優(yōu)化了材料的電子結(jié)構(gòu)，提升了本征催化活性，還通過形成表面非晶羥基氧化物層，有效抑制了金屬離子的持續(xù)溶出，實現(xiàn)了“自修復(fù)”功能。
該研究創(chuàng)新性地在PEMWE實際運行條件下實現(xiàn)了非貴金屬催化劑的動態(tài)平衡機(jī)制，為設(shè)計下一代高性能、低成本、長壽命的PEMWE陽極材料提供了新思路，對降低制氫成本、推動綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
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