继昨日Nature后，复旦大学再发Science！

太瓦级质子交换膜水电解槽(PEMWE)技术的未来发展需要开发低成本、长寿命的高效析氧催化剂。目前，大多数活性铱(Ir)催化剂的稳定性受到Ir物质的溶解、再沉积、脱离和聚集的损害。

2025年2月13日，复旦大学张波、徐一飞、段赛、徐昕共同通讯在Science在线发表题为“Ultrastable supported oxygen evolution electrocatalyst formed by ripening-induced embedding”的研究论文，该研究开发了一种熟化诱导嵌入形成的超稳定析氧反应电催化剂。

此外，2025年2月12日，复旦大学彭慧胜、高悦共同通讯在Nature在线发表题为“External Li supply reshapes Li deficiency and lifetime limit of batteries”的研究论文，该研究发现成功设计了一种锂载体分子，让废旧电池“打一针”就可无损修复，将锂电池寿命提升 1-2 个数量级，为电池产业变革提供关键技术支撑。

水电解可以将从可再生但间歇性的太阳能或风能中获得的电力转化为“绿色”(即环境可持续的)氢。大规模且经济高效地生产绿色氢被认为是未来碳排放为零的清洁能源产业的关键。目前，质子交换膜水电解器(PEMWE)因其高电流密度、快速系统响应和低气体渗透率而脱颖而出，成为最有前途的绿色制氢技术。PEMWE功能的核心是阳极析氧反应(OER)，它为PEMWE提供所需的质子和电子。OER催化剂活性和稳定性的提高对装置的整体效率和经济可行性有着深远的影响。氧化铱(IrOx)是迄今为止唯一可以在PEMWE中连续工作的实用OER催化剂。然而，Ir的高成本[>每克180美元(8)]和稀缺储备[地壳中只有百万分之3×106]对未来太瓦级PEMWE的部署构成了巨大障碍。

为了提高催化剂的活性和稳定性，同时降低Ir含量，已经探索了各种方法，例如合金化和与钙钛矿或混合氧化物复合。一种有效且常用的策略是将具有高表面积的IrOx纳米颗粒(NPs)装载到不同的载体上，通常是金属氧化物。由于强烈的催化剂-载体相互作用调节了Ir的电子结构及其对OER中间体的吸附能，所得负载型催化剂的活性通常与纯IrOx相当或甚至优于纯IrOx。这种策略提高了PEMWE的性能，在电流密度为2 A cm、Ir负载小于0.5mg cm2的情况下，电池电压小于1.9V。然而，负载型催化剂面临的主要挑战是稳定性；即使在Ir负载< 0.5mg cm2的情况下，电池电压下降率的最佳报告结果仍保持在100mV·小时-1，这比美国能源部(DOE)为2026年设定的2.3mV·小时-1的宏伟目标高出约50倍。

熟化诱导嵌入式催化剂的设计示意图（图源自Science）

研究人员提出了一种成熟诱导的嵌入策略，将红外催化剂安全地嵌入氧化铈载体中。低温电子断层扫描和全原子动力学蒙特卡罗模拟显示，通过超声处理调节的载体生长速率与Ir成核速率的同步是成功合成的关键。使用这种催化剂的PEMWE在每平方厘米3安培的电流密度下获得1.72伏的电池电压，Ir负载仅为每平方厘米0.3毫克，电压退化速率为每小时1.33微伏，如6000小时加速老化测试所示。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr3149

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08465-y