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質子交換膜水電解制氫（PEMWE）由于具有低能耗、寬功率波動和高動態響應等突出優勢，被認為是耦合可再生能源綠電制綠氫的優選技術，但高度依賴高用量鉑族金屬（目前陰極Pt和陽極Ir用量分別為0.3-0.5和1-1.5 mg/cm2），嚴重制約了其規模應用。近日，中國科學院上海高等研究院綠色氫能團隊在PEMWE低貴金屬催化領域取得重要進展，在陰極低Pt、陽極低Ir催化劑研究與電解池應用方面取得新突破，相關成果為綠氫制備降本增效提供了關鍵技術支撐。

在陰極催化劑研究方面，研究團隊通過自發沉積，在部分氧化的Ru納米粒子表面合成了Cl配體和Ru協同穩定的Pt單原子催化劑（Pt₁Cl_0.5/Ru-NPs@RuO_x），該催化劑展現出優異的析氫反應（HER）性能。HER過電位僅13.2 mV（10 mA/cm2），遠低于商業Pt/C催化劑的35 mV。在PEMWE應用中，該催化劑Pt用量降至10 μg/cm2，采用Nafion 115膜在2 A/cm2電流密度下電解電壓為1.76 V，并在 1 A/cm2 下穩定運行超 1000小時，且運行后 Pt 原子未見團聚。研究表明，Cl配體與Ru載體的協同作用形成穩定的Pt-Cl-Pt配位結構，突破了Pt單原子催化劑器件應用穩定性的瓶頸。相關結果發表Angewandte Chemie International Edition（論文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202506619）上，文章的第一作者是中國科學院上海高等研究院博士研究生王乾森、上海科技大學博士研究生凌文慧，通訊作者為程慶慶、楊波、楊輝。

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圖一：Pt₁Cl_0.5/Ru-NPs@RuO_x催化劑HER本征活性及膜電極性能與穩定性

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圖二：原位光譜闡明活性位點動態演變機制

在陽極催化劑研究中，團隊通過硫摻雜改性 IrO₂，成功實現氧析出反應（OER）路徑從傳統吸附演化機理向晶格氧機理的切換。硫摻雜誘導 IrO?晶格膨脹，形成非鍵氧態（O_NB）作為電子犧牲劑，在提升催化活性的同時維持了Ir-O鍵級的穩定性。采用該催化劑將Ir用量從常規的1.0~1.5降至0.3 mg/cm2，采用Nafion 115膜與GORE 80μm膜在 2.0 A/cm2 電密下電解電壓分別為1.77 與1.69 V，超過美國能源部2026年目標，且在1.0 A/cm2 下運行1000 小時電壓衰減率僅為 16.6 μV/h。

相關結果發表在Advanced Materials上（論文DOI：https://doi.org/ 10.1002/adma.202507560），文章的第一作者是中國科學院上海高等研究院博士研究生楊晨璐，通訊作者為程慶慶、王國樑、楊輝。

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圖三：硫摻雜對 IrO₂/S 電催化性能的影響

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圖四：OER反應路徑探究。

這兩項研究分別從陰極 Pt 單原子穩定化和陽極 Ir 基催化劑機理調控出發，顯著降低了 PEMWE 對貴金屬的依賴，為綠氫規模化生產奠定了重要技術基礎。