新型催化剂破解电解水制氢低效高耗能难题

记者31日从昆明理工大学获悉，该校冶金与能源工程学院徐瑞东教授团队联合东南大学、瑞士洛桑联邦理工学院、美国西北大学等机构学者合作，研发了一种新型非贵金属电催化材料，为解决碱性条件下电解水制氢效率低、能耗高的行业难题提供新方案，助力绿色氢能规模化生产。相关成果发表在《先进功能材料》上。

电解水是绿色氢能生产的关键技术，但在碱性环境中面临两大瓶颈：一是析氢反应中某一基元步骤反应速度缓慢，二是析氧反应需完成四质子耦合电子转移，两者共同导致产氢效率低、能耗高。目前性能优异的催化剂多依赖贵金属，如部分铱、钌氧化物及铂碳材料，但其成本高昂且资源稀缺，难以满足大规模应用需求。因此，研发同时具备高活性析氢与析氧性能的非贵金属双功能催化电极，成为行业突破重点。

为破解这一难题，徐瑞东教授团队创新性提出“一步异质成核”策略，成功制备出非晶态硫化镍与晶态铜复合的电催化材料，并通过精准调控电子结构，显著提升材料全解水性能。

团队结合实验与理论计算发现，该材料的优异性能源于三重作用机制：一是硫原子聚集的正电荷，大幅加快析氢反应第一电子转移过程动力学；二是铜位点优化的d带结构，平衡了反应中氢中间体的吸附与脱附过程，避免吸附过强或过弱影响热力学效率；三是材料界面间的强相互作用，促使表面结构重构，削弱析氧反应关键中间体的吸附强度，进一步优化反应动力学。

在实际应用测试中，这种新型催化材料表现突出——在阴离子交换膜电解槽中，仅需1.49伏的槽电压，就能驱动10毫安每平方厘米的电流密度，展现出优异的全解水性能。

此项研究不仅揭示了非晶、晶态异质结构复合材料电子调控机制，更从原子层面为设计低成本、高性能水分解电催化材料提供新思路，对推动绿色氢能技术规模化应用具有重要意义。

（昆明理工大学冶金与能源工程学院供图）