近日，南开大学电子信息与光学工程学院罗景山教授团队联合西班牙巴斯克大学科研团队，在电催化水分解制氢研究中取得重要进展。该联合团队利用金属载体相互作用，构筑了碱性条件高活性析氢催化剂，能够在每平方厘米5安培的大电流密度下稳定运行超过1000小时，满足了阴离子交换膜电解水制氢技术商业化应用的需求。相关成果近日发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

氢能作为一种低碳高效的清洁能源，在全球能源转型和应对气候变化方面扮演重要角色。按照制氢的三种方法，氢能可分为灰氢、蓝氢、绿氢。其中，以可再生能源电解水制氢为代表的绿氢在生产过程中不产生温室气体，被视为实现碳中和目标的重要路径之一。

Ru NPs/TiN的合成示意图

目前，碱性电解水（ALK）和质子交换膜电解水（PEM）两种电解水制氢技术占比较高，而阴离子交换膜（AEM）制氢技术被认为是集ALK与PEM优势于一体的第三代电解水制氢技术。AEM具有效率高、成本低、启停快速等优势，但在大电流密度下电解槽系统稳定性不足的问题限制了其产业化应用。因此，开发大电流密度下寿命长、性能稳定的碱性析氢催化剂，是AEM制氢技术亟待解决的核心问题之一。

“当前的电解水过程大多使用铂基材料作为析氢反应催化剂，其性能优良但成本较高。钌作为价格较低的贵金属，具有高催化活性和良好的耐久性，是铂的理想替代品。”罗景山介绍，“已被报道的碱性条件下钌基析氢催化剂大多是在低电流密度下测试。催化剂如何能够在大电流密度下保持高性能，从而满足大规模商业化应用的需要，是我们团队攻关的核心问题。”

载体和金属的相互作用，会极大地影响催化剂性能。团队研究发现，钌纳米颗粒与氮化钛载体之间具有强相互作用，能有效调节钌纳米颗粒的电子结构，优化氢中间体的吸附能力，提高催化活性。

“我们使用氮化钛负载的钌纳米颗粒催化剂作为析氢反应催化剂组装了AEM电解槽，在每平方厘米0.5安培、1安培和2安培的电流密度下分别实现了70.1%、64.3%和58.0%的能量效率，并能在每平方厘米1安培、2安培和5安培的电流密度下稳定运行超过1000小时，性能几乎没有衰减。”论文第一作者、南开大学电子信息与光学工程学院2021级博士生赵佳说。

“在每平方厘米5安培的工业级电流密度下，我们研发的催化剂能够在AEM电解槽中高效稳定运行，满足了AEM制氢大规模商业化应用的需求。”罗景山说。