高纯度绿色氢气将以更环保更低成本制备……UNIST·KAIST联合研发水电解催化剂

by Kim Yongu

Published 11 Jan.2024 08:51(KST)

Updated 05 Aug.2025 11:46(KST)

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高效稳定水电解催化剂

有望替代昂贵的铂和铱

一种能够以环保方式低成本生产高纯度绿色氢气的技术已经问世。

这是一项可以替代昂贵贵金属催化剂的技术，被认为有望对实现碳中和产生影响，因而备受关注。

UNIST（校长 Lee Yonghoon）于11日表示，能源化学工程系 Ryu Jungki 教授与 KAIST（校长 Lee Kwanghyung）新材料工程系 Seo Donghwa 教授共同组成研究团队，开发出一种兼具高效率和高稳定性的高纯度绿色氢气生产用“双功能水电解”催化剂。

研究团队开发的催化剂即使在腐蚀性很强的酸性环境中也可长时间使用。该催化剂以钌、硅和钨（RuSiW）为基础制备，与现有的铂（Pt）或铱（Ir）催化剂相比成本更低。温室气体排放量也降低到四分之一以下，更加环保。

水电解是通过电分解水来生产氢气的技术。在制氢过程中不排放碳，可生产环保氢气，被视为实现碳中和社会的下一代关键技术。

已开发的 RuSiW 催化剂的透射电子显微镜图像（左），元素映射图像（中），以及掺杂钨后的透射电子显微镜图像（右）。

研究团队针对在酸性环境中稳定的铂、铱等贵金属电解质，开展了寻找替代物质的研究。钌的生产价格相对低廉，与铂和铱相比，其温室气体排放量分别减少至七分之一和四分之一，被认可为一种环保金属。

但钌的催化反应促进能力低于铂，稳定性又低于铱，因此在商业化方面存在困难。

研究团队利用钌、硅、钨三种元素为基础的氧化物开发出催化剂，同时改善了钌催化剂在低氢析出反应（HER）活性和氧析出反应（OER）稳定性方面的不足，证明了其作为双功能催化剂的可行性。

开发出的催化剂结构为在钌原子周围掺入钨和硅。通过适度提高催化剂表面对质子的吸附强度，增强了催化反应促进能力。与商业化铂催化剂相比，其在氢析出反应方面的活性更为优异。厚度约为5~10纳米的薄钨膜保护了钌的催化反应位点，也大幅提高了稳定性。

研究团队还进行了催化剂稳定性实验。在酸度为0.3的酸性电解质环境中，向面积为1平方厘米的电极通入10毫安电流。结果显示，所开发的催化剂在运行超过100小时的情况下仍能稳定工作。

从左起为 UNIST 教授 Ryu Jeonggi、第一作者研究员 Kim Hyeongu、第一作者研究员 Jeon Dasom（圆圈内）。

KAIST教授 Seo Donghwa（左），第一作者研究员 Kim Dongyeon。

Ryu Jungki 能源化学工程系教授表示：“本次开发的三元催化剂能够同时替代传统昂贵的铂和铱，意义重大。由于它在腐蚀性极强的酸性环境中也能长时间保持稳定，并且易于合成，因此有望应用于高纯度绿色氢气生产系统——质子交换膜（PEM）电解槽。”

本研究由 UNIST 能源化学工程系 Jeon Dasom 博士、KAIST 新材料工程系 Kim Dongyeon 博士以及 UNIST 能源化学工程系博士研究生 Kim Hyeongu 作为第一作者参与完成。

本研究在科学技术情报通信部韩国研究财团中坚研究者支援项目、地区创新先导研究中心（RLRC）项目以及国家超级计算中心（KISTI）等的支持下开展。研究成果已于1月4日发表在全球材料领域国际学术期刊《Advanced Materials》上。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。