近日，我校材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在質子交換膜電解水（PEMWE）非貴金屬陽極催化劑研究領域取得新進展。該研究成功開發(fā)出一種具有自修復功能的鑭摻雜鈷錳氧化物（LCM）陽極材料，在工業(yè)級電流密度下實現(xiàn)了長達1200小時的穩(wěn)定運行，相關成果以“A self-healing non-precious metal oxide anode in proton exchange membrane electrolysis beyond 1000 h stability at 2 A cm^?2”為題在線發(fā)表于《Energy & Environmental Science》。

可再生能源驅動的質子交換膜電解水制氫技術是實現(xiàn)綠氫規(guī)模化生產(chǎn)、推動能源轉型的關鍵路徑之一。然而，當前PEMWE技術嚴重依賴銥（Ir）等貴金屬作為陽極催化劑，其資源稀缺性和高昂成本極大限制了該技術的大規(guī)模應用。開發(fā)高性能、高穩(wěn)定性的非貴金屬陽極材料，成為推動PEMWE商業(yè)化應用的核心挑戰(zhàn)。

有鑒于此，研究團隊基于“動態(tài)穩(wěn)定”的設計理念，通過La³⁺摻雜策略，成功構建了一種具有自修復功能的鈷錳氧化物（LCM）陽極材料。La³⁺的大離子半徑和穩(wěn)定氧化態(tài)有效增強了陽極材料晶體結構的穩(wěn)定性，并引入大量氧空位，促進了活性位點（Co物種）在工作電位下的動態(tài)溶解-再沉積平衡，從而實現(xiàn)了在嚴苛酸性環(huán)境下的長期穩(wěn)定運行。為深入理解電位對溶解-沉積過程的調控作用，團隊系統(tǒng)比較了2 A cm^?2與6 A cm^?2電流密度下的金屬離子溶出行為，發(fā)現(xiàn)較高電流密度可顯著促進再沉積過程，從而更快實現(xiàn)動態(tài)平衡。這一電位依賴的動態(tài)自平衡機制，是LCM實現(xiàn)結構“自修復”并維持長期運行穩(wěn)定的關鍵。最終，該LCM陽極在PEMWE系統(tǒng)中表現(xiàn)出卓越的電催化性能與穩(wěn)定性：在2 A cm^?2電流密度下可持續(xù)運行1200小時，在5 A cm^?2高電流密度下也能穩(wěn)定運行200小時，總電荷轉移量達到10⁶ C cm^?2，遠超此前報道的非貴金屬陽極材料。通過原位光譜技術和理論計算進一步揭示，La摻雜不僅優(yōu)化了材料的電子結構，提升了本征催化活性，還通過形成表面非晶羥基氧化物層，有效抑制了金屬離子的持續(xù)溶出，實現(xiàn)了“自修復”功能。

該研究創(chuàng)新性地在PEMWE實際運行條件下實現(xiàn)了非貴金屬催化劑的動態(tài)平衡機制，為設計下一代高性能、低成本、長壽命的PEMWE陽極材料提供了新思路，對降低制氫成本、推動綠氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

該研究工作以華東理工大學為唯一通訊單位。我校材料科學與工程學院博士生林苗雨為論文第一作者，我校侯宇教授、楊化桂教授、劉鵬飛副教授為通訊作者，研究工作得到了國家自然科學基金、上海市基礎研究特區(qū)、上海市教委“曙光”計劃等項目的支持。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1039/D5EE02703A