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韓國科學家利用1/3的貴金屬開發出全球最高效制氫催化劑

文章來源：新能源網更新時間：2025-04-11 15:29:28

　　首爾大學（Seoul National University）工學院宣布在環保制氫方面取得了重大進展。由材料科學與工程系的Jin Young Kim教授領導的研究小組、國民大學（Kookmin University）的Chan Woo Lee教授和韓國科學技術研究院（KIST）的Sung Jong Yoo博士合作，開發出了一種高度先進的電化學催化劑。這一突破有望推動下一代可持續制氫技術的發展。

　　該催化劑具有核殼結構的釕基納米團簇。盡管只含有少量的貴金屬，但它具有出色的性能和卓越的穩定性。在工業規模的水電解系統中進行測試時，它表現出令人印象深刻的效率，顯示出強大的商業應用潛力。

　　這項研究發表在催化領域的權威期刊《能源環境科學》（Energy & Environmental Science）上。該研究被選為封面論文，突出了其創新方法和學術影響。

　　氫：一種清潔能源氫被廣泛認為是一種清潔能源，因為它燃燒時不排放二氧化碳，這使它成為化石燃料的有希望的替代品。生產環保氫氣的最有效方法之一是水電解，即用電將水分解成氫和氧。在各種電解方法中，陰離子交換膜電解（AEMWE）因其能夠產生高純度的氫氣而成為下一代技術，備受關注。然而，為了使AEMWE在商業上可行，需要既能提供高效率又能提供長期穩定性的催化劑。

　　目前，鉑（Pt）是應用最廣泛的制氫催化劑，但其高成本和快速降解的特性帶來了重大挑戰。雖然研究人員已經探索了非貴金屬替代品，但這些材料通常效率低，穩定性差，不適合工業使用。

　　為了克服這些限制，研究小組開發了一種基于釕（Ru）的新型核-殼納米簇催化劑，其成本效益是鉑的兩倍多。通過將催化劑尺寸減小到2納米（nm）以下，并將貴金屬的用量減少到傳統鉑基電極的三分之一，該團隊取得了超越現有鉑催化劑的卓越性能。

　　新開發的催化劑的性能比具有相同貴金屬含量的鉑催化劑高4.4倍，為析氫反應效率設定了新的基準。此外，它還記錄了有史以來最高的析氫催化劑性能。其獨特的泡沫電極結構優化了反應材料的供應，即使在高電流密度下也能確保出色的穩定性。

　　在工業規模的AEMWE測試中，與商用鉑催化劑相比，這種新型催化劑所需的功率大大降低。這一結果鞏固了其作為下一代水電解技術改變游戲規則解決方案的潛力。

　　開發過程涉及幾個關鍵的創新。首先，研究小組用過氧化氫處理泡沫鈦基底，形成薄薄的氧化鈦層。然后摻雜過渡金屬鉬（Mo）。接下來，氧化釕納米顆粒，尺寸只有1-2納米，被均勻地沉積在修飾的襯底上。

　　精確的低溫熱處理誘導原子級擴散，形成核殼結構。在析氫反應過程中，電化學還原過程進一步增強了材料的性能，導致釕金屬芯被多孔還原單層二氧化鈦包裹，金屬鉬原子位于界面處。

　　展望未來，核殼納米團簇催化劑有望顯著提高制氫效率，同時大幅減少所需貴金屬的數量，最終降低生產成本。它的高性能和經濟可行性的結合使它成為氫燃料電池在汽車、環保交通系統、氫發電廠和各種工業應用中的強有力的候選者。

　　除了實際應用之外，這一突破代表了一項重大的技術進步，可以加速從化石燃料能源系統向氫驅動經濟的過渡。

　　Jin Young Kim教授強調了此次研究的影響，他說：

　　“核殼催化劑雖然小于2納米，但表現出優異的性能和穩定性。”

　　“這一突破將對納米核殼器件制造技術和氫氣生產的發展做出重大貢獻，使我們更接近碳中和的未來。”

　　另外，該研究的第一作者Hyun Woo Lim博士被選定為世宗政府獎學金對象，并在首爾大學Kim教授的實驗室繼續進行博士后研究。他目前的工作重點是進一步開發和商業化核殼催化劑技術。

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