UNIST以碳纤维催化剂加速实现超差距绿色氢气生产技术
UNIST与沙特KAUST联合团队开发一体化水电解电极
稳定性高且可大面积应用…入选美国化学会志JACS封面论文
克服了现有催化电极的局限，能够以更低成本大规模生产绿色氢气的技术已经被开发出来。
【研究团队】上排左起为教授 Chae Hanggi，上排右侧为教授 Jafar Yavuz；下排左侧为教授 Baek Jongbeom，下排自左起第三位为第一作者 Lee Gahyun、研究员 Kim Seokjin。
View original image蔚山科学技术院（UNIST，校长 Lee Yonghoon）新材料工程系 Chae Hangki 教授团队与能源化学工程系 Baek Jongbeom 教授团队，与阿卜杜拉国王科技大学（KAUST） Cafer T. Tavuz 教授团队合作，开发出了附着高性能催化剂的碳纤维电极。
研究团队采用碳纤维形态的催化剂替代易脱落的粉末状催化剂，使其能够在大面积上稳定运行。与传统电极相比，使用寿命可延长100倍。并以钌替代昂贵的铂，在保持同等性能的同时大幅降低了制造成本.
以往在制造电化学电极时，会将碳粉等粉末形态的催化剂喷涂在电极表面并固着。但由于难以均匀涂覆，容易出现粉末团聚或脱落等问题，导致稳定性和耐久性较低。
相反，以碳纤维为基础的电化学电极，因碳纤维所具有的高热导率和电导率、易于实现大面积化等优点而备受关注。
研究团队更进一步，从高分子前驱体纤维的制备阶段起就将钌固着在其表面，从而提高催化剂的稳定性。参与化学反应的前驱体高分子采用聚丙烯腈（PAN），以帮助稳定体现催化剂特性。作为化学催化剂，则选择性地在表面附着钌以替代铂。
通过这一方式开发出的碳纤维电化学织物表面选择性固着钌的电极 Ru-SFC，在电流密度10 mA cm?2下表现出11.9 mV的低过电位。氢气析出反应所需的最低电压（过电位）越低，能耗越少，催化剂效率就越高。
此外，与商用铂粉末催化剂在运行1万次后过电位增加6倍相比，新开发的电极仅表现出6.5%的低过电位增幅。也就是说，可在100倍更长的时间内稳定使用。
Chae Hangki 教授表示：“本研究充分利用了碳纤维固有的优异机械和电学特性，为今后碳纤维作为多功能电化学反应材料得到应用打开了道路。”
第一作者研究员 Lee Gahyun 补充称：“通过本次研究，我们通过控制催化金属的分离现象和微观碳结构，将稳定性和活性最大化，并且可以连续制备催化纤维，因此可直接应用于工业。”
研究团队开发的电极具有能耗低、废弃物产生量少的优势。团队还将该电极扩展应用到目前实际碳纤维产业中使用的连续制造工艺中并完成验证。
本研究中建立的半中试线（semi-pilot line）催化剂负载碳纤维连续生产方式，达到了技术成熟度（TRL）6级，属于可在实际环境中实现应用的技术水平。
共同第一作者、KAUST 研究教授 Kim Seokjin 说明称：“本研究中开发的电极被制成柔性的纤维形态，可直接应用，不仅适用于电化学催化剂，也能轻松应用于热化学催化剂和光催化剂。”
本研究成果发表于化学领域世界权威学术期刊——美国化学会志（Journal of the American Chemical Society, JACS），并于5月15日正式出版，被选为封面论文（Supplementary cover image）。相关专利及专利合作条约（PCT）申请已于2024年2月7日完成。（登记号/日期：1026361690000 (2024.02.07)）。
本研究在科学技术信息通信部和教育部的支持下，由韩国研究财团主办的中坚研究者支持项目和领军研究者支持项目资助完成。
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