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更便宜的绿色氢气？新型催化剂设计减少了AEM电解槽中的能量损失

2026/3/2 13:39:5082

从水中生产清洁氢气通常被比作以化学形式存储可再生能源，但提高这一过程的效率仍然是一个科学挑战。东北大学的研究人员现在开发了一种催化剂设计，有助于在碱性条件下更顺利地生成氢气，这是实现绿色氢气生产的关键步骤。

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(a) Ru/VO₂-CNF和Ru-CNF的差分电荷密度差异图，其中黄色和蓝色区域分别表示电荷积累和电荷耗竭。(b) 碱性HER过程的吉布斯自由能图，并在插图中显示了相应的过渡态（TS）。(c) 在氢气溢出过程中不同位置的H*结构。(d) 氢气溢出过程的能量障碍。(e) Ru/VO₂-CNF的OH-H态的部分态密度（PDOS）。(f) Ru/VO₂-CNF的OH+H态的部分态密度（PDOS）。(g) Ru/VO₂-CNF、Ru-CNF、Pt/C和Ru/C的氢气脱附峰位置与扫描速率的关系图。(h) 在碱性条件下模拟的HER 2D微观动力学火山图，作为(ΔGH∗, ΔGOH∗)的函数。

平衡氢气演化过程中的关键步骤

碱性水电解中的氢气生成依赖于氢气演化反应（HER）。在阴离子交换膜水电解（AEMWE）中，这一反应包括两个紧密相关的步骤：分解水分子和生成氢气。如果其中任何一步变慢，整体性能都会受到影响。

许多现有的催化剂只改善其中一个步骤。仅部分提高效率可能会对整体产量产生不利影响。这类似于一个流水线，某个工人工作更快，但下一个工人跟不上。为了解决这一不平衡问题，研究团队专注于同时协调这两个步骤。

研究人员提出了一种辅助驱动策略，将铑（Ru）与二氧化钒（VO₂）结合。通过用VO₂包围铑的活性位点，催化剂被设计成依次优化水分解步骤（Volmer步骤）和氢气生成步骤（Heyrovsky步骤）。

在铑与二氧化钒的界面处，V-O-Ru共轭π键的形成动态调整了活性位点的电子结构。这促进了更快速的水分解。同时，可逆的氢气溢出过程帮助调节氢气吸附，使催化剂更接近微观动力学模型预测的最佳反应条件。

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Ru/VO₂-CNF的合成与结构阐明

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辅助驱动效应的示意图，突出其在加速HER过程中的作用

这项工作已发表于《ACS Catalysis》期刊。

设备和指标上的性能提升

在相同的测试条件下，新的催化剂显示出比传统的Ru/C和Pt/C催化剂更高的氢气演化活性。它在10 mA cm⁻²下实现了12 mV的过电位和12.2 s⁻¹的循环频率，表明其氢气生产效率高，能量损失低。

研究团队还在一个工作中的AEMWE设备中评估了该催化剂。通过松弛时间分布（DRT）分析，他们确认了在实验室测试中观察到的反应动力学改进转化为设备级别的性能。

“这种辅助驱动概念使我们能够协调多个反应步骤，而不是单独优化它们。”东北大学先进材料研究所副教授张一洲表示。“通过工程化铑与二氧化钒的界面，我们可以改善碱性氢气演化中的整体反应动力学。”

绿色氢气的意义及数据获取

更高效且耐用的电解槽可以减少生产氢气所需的电力，并延长系统使用寿命。降低绿色氢气的成本可以支持其在钢铁生产、化学制造、航运和大规模能源储存等行业中的广泛应用。

研究人员计划进一步优化界面结构，并探索是否可以将辅助驱动策略应用于其他催化系统。

所有关键的实验和计算数据也已上传至数字催化平台，这是迄今为止由Hao Li实验室开发的最大催化数据库。

更多信息：Tingyu Lu et al, Stepwise Acceleration of Water Dissociation and Hydrogen Spillover for Enhanced Overall Alkaline Hydrogen Evolution, ACS Catalysis (2026). DOI: 10.1021/acscatal.5c08576

翻译人/沈亚浩

来源：

https://fuelcellsworks.com/2026/02/25/clean-hydrogen/cheaper-green-hydrogen-new-catalyst-design-cuts-energy-losses-in-aem-electrolyzers