3000小时仅衰减不到2%！韩国KIMS开发超耐久PtNi制氢催化剂

韩国昌原——韩国材料科学研究院（KIMS）院长Chul-jin Choi宣布，由KIMS能源与环境材料研究部首席研究员Sung Mook Choi带领的研究团队，与釜庆国立大学Min Ho Seo教授和浦项科技大学（POSTECH）Won Bae Kim教授领导的研究团队合作，开发出一种高耐久性铂镍（PtNi）析氢催化剂。

该催化剂通过原子有序化抑制镍（Ni）浸出。镍浸出是阴离子交换膜水电解（AEMWE）催化剂性能衰减的主要原因之一。

这项研究针对水电解催化剂长期运行过程中性能通常不断下降这一长期存在的问题，通过在原子层面稳定催化剂结构，实现了性能提升。在接近实际制氢装置规模的系统中，该催化剂连续运行3000小时后，性能衰减低于2%。这一技术有望推动水电解催化剂在绿氢生产领域的实际应用。

通过阴离子交换膜水电解制氢

阴离子交换膜水电解在碱性条件下分解水，从而产生氢气。由于能够减少昂贵贵金属的使用并降低整体系统成本，这项技术正受到越来越多关注，被认为是下一代绿氢技术之一。

然而，在碱性环境中，析氢反应（HER）的反应速率相对较慢，因此需要开发具有高活性的催化剂。

传统铂镍催化剂通过将镍与铂进行合金化，在初始阶段通常能够表现出较强的制氢性能。

但在长期运行过程中，镍会逐渐以离子或氢氧化物的形式从催化剂中溶出。这会改变催化剂的组成和电子结构，从而导致性能快速衰减。

原子有序化抑制镍溶出

为解决这一问题，研究团队开发了一种原子有序化PtNi催化剂。在这种催化剂中，铂原子和镍原子按照明确的晶格位置排列，使镍更不容易从催化剂中浸出。

在传统的无序PtNi催化剂中，铂和镍原子随机混合，因此在长期运行过程中，镍更容易逸出。

通过将两种元素排列成有序的金属间化合物结构，研究人员显著提高了催化剂的结构稳定性。

借助计算材料科学方法，研究团队发现，在这种有序PtNi结构中，镍原子能够得到更强的稳定作用，因此具有更高的抗溶解能力。

随后，研究人员将这些理论研究结果应用于催化剂合成以及水电解电极制造。

热处理让随机排列的原子重新“排队”

研究人员首先使用硼氢化钠（NaBH₄）在低温条件下还原铂和镍前驱体，制备催化剂。

随后，在氮气气氛下进行热处理，以避免与空气发生不必要的反应，并促使最初处于无序状态的铂、镍原子重新排列成有序结构。

简单来说，热处理过程就是将原本随机混合的原子重新组织成更加稳定的结构，使镍能够更加牢固地留在催化剂内部。

最终制备出的有序PtNi催化剂被应用于阴极，也就是水电解系统中产生氢气的一侧。

研究人员随后逐步对其性能进行测试，从半电池实验，到单电池测试，再到大面积三电池电解堆测试。

3000小时运行后性能衰减低于2%

耐久性测试显示，与传统无序催化剂相比，有序PtNi催化剂能够保留更多的镍。

耐久性测试结束后，无序催化剂的初始镍含量减少了约54%，而有序催化剂的镍含量仅减少约9%。

这一结果表明，原子有序化能够有效抑制镍浸出，并帮助催化剂在长期运行过程中维持结构稳定。

研究团队进一步将该催化剂应用于一个大面积三电池电解堆，活性面积达到64平方厘米，并连续运行3000小时，相当于约四个月。

在整个运行过程中，性能衰减保持在2%以内，证明该催化剂能够在接近实际应用规模的水电解系统中长期保持稳定运行。

有望降低绿氢生产成本

这项技术的重要意义在于，它展示了延长绿氢生产设施催化剂使用寿命的潜力。

催化剂快速衰减会增加更换和维护成本，因此，长期耐久性是水电解系统实现商业化必须解决的关键问题之一。

此次开发的催化剂能够在减少铂用量的同时，保持长期稳定的性能。因此，未来有望应用于与可再生能源结合的制氢设施、分布式水电解系统以及大面积电解槽堆。

此外，这种原子有序化设计策略还可能进一步拓展到其他铂—过渡金属催化剂、燃料电池以及各种电化学能源系统。

KIMS首席研究员兼项目负责人Sung Mook Choi表示：“这项研究的重要意义在于，我们利用计算科学解释了在阴离子交换膜水电解条件下，原子有序化如何抑制镍浸出，并通过详细的催化剂分析以及在具有商业应用意义的大面积三电池电解堆中进行3000小时运行，对这一机制进行了实验验证。”

他进一步表示：“通过证明这种材料的优异性能能够在实际水电解系统中长期保持稳定，该技术有望为加速低贵金属含量、高耐久性绿氢生产系统的商业化提供基础。”

下一步将推进工业化应用

该研究得到韩国科学技术信息通信部（MSIT）国家氢能研究实验室项目（H2NEXT ROUND）、韩国国家研究基金会纳米与材料技术开发项目以及KIMS机构研究项目的支持。

研究成果于2026年7月1日在线发表于《Carbon Energy》期刊。该期刊是能源领域的国际知名学术期刊，影响因子为24.2，在《Journal Citation Reports》中位列前2.9%。

KIMS高级研究员Song Jin、研究员Jae-Yeop Jeong以及POSTECH的Minseon Park担任共同第一作者。

KIMS首席研究员Sung Mook Choi、釜庆国立大学Min Ho Seo教授以及POSTECH Won Bae Kim教授担任共同通讯作者。

下一阶段，研究团队计划进一步降低贵金属负载量，提高大面积电极制造的一致性，并优化电解堆运行条件。

同时，团队还将针对实际运行环境下的负荷波动和长期性能衰减机制开展更详细的分析，以推动该技术进一步走向工业化应用。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70265

（素材来自：KIMS 全球氢能网、新能源网综合）