核壳纳米簇催化剂可实现高效、低成本和环保的氢气生产

韩国研究小组成功开发了一种先进的电化学催化剂。这项创新有望引领下一代可持续的氢气生产

新开发的催化剂具有核壳结构的钌（Ru）基纳米簇。尽管只使用了极少量的贵金属，但它提供了世界级的性能和卓越的稳定性。此外，当应用于工业规模的水电解设备时，它表现出了显著的效率，突显了其商业应用的潜力

这项研究发表在《能源与环境科学》上

氢被广泛认为是一种清洁能源，因为它在燃烧时不会排放二氧化碳，使其成为化石燃料的有前景的替代品。生产环保氢气的最有效方法之一是通过水电解，利用电将水分解为氢气和氧气

在各种电解方法中，阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其能够生产高纯度氢气而作为下一代技术受到关注。然而，为了使AEMWE在商业上可行，它需要同时提供高效率和长期稳定性的催化剂

目前，铂（Pt）是氢气生产中使用最广泛的催化剂，但其高成本和快速降解带来了重大挑战。虽然研究人员已经探索了非贵金属替代品，但这些材料通常效率低、稳定性差，不适合工业使用

为了克服这些局限性，由材料科学与工程系的金教授领导的研究小组与国民大学的李教授和韩国科学技术研究院的柳博士合作，开发了一种基于钌（Ru）的新型核壳纳米簇催化剂，其成本效益是铂的两倍多

通过将催化剂尺寸减小到2纳米（nm）以下，并将贵金属的用量减少到传统铂基电极的三分之一，该团队实现了卓越的性能，超过了现有的铂催化剂

新开发的催化剂表现出比相同贵金属含量的铂催化剂高4.4倍的性能，为析氢反应效率树立了新的标杆。此外，它在氢气释放催化剂中记录了有史以来最高的性能

其独特的泡沫电极结构优化了反应材料的供应，即使在高电流密度下也能确保出色的稳定性

在工业规模的AEMWE测试中，与商用铂催化剂相比，新催化剂需要的功率明显更低。这一结果巩固了其作为下一代水电解技术改变游戏规则的解决方案的潜力

开发过程涉及几个关键创新。首先，研究小组用过氧化氢处理钛泡沫基材，形成薄氧化钛层

随后掺杂了过渡金属钼（Mo）。接下来，将尺寸仅为1-2nm的氧化钌纳米粒子均匀沉积在改性基材上

展望未来，核壳纳米簇催化剂有望显著提高氢气生产效率，同时大幅减少所需的贵金属量，最终降低生产成本

其高性能和经济可行性的结合使其成为汽车氢燃料电池、环保交通系统、氢能发电厂和各种工业应用的有力候选者

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除了实际应用外，这一突破代表了一项重大技术进步，可以加速从化石燃料能源系统向氢驱动经济的过渡

Jin Young Kim教授强调了这项研究的影响，他说：“核壳催化剂虽然小于2纳米，但表现出了非凡的性能和稳定性。这一突破将对纳米核壳器件制造技术和氢气生产的发展做出重大贡献，使我们更接近碳中和的未来。”

他目前的重点是进一步开发和商业化核壳催化剂技术 More information: Hyun Woo Lim et al, A ruthenium–titania core–shell nanocluster catalyst for efficient and durable alkaline hydrogen evolution, Energy & Environmental Science (2025). DOI: 10.1039/D4EE04867A

Journal information: Energy & Environmental Science