您当前浏览器版本过低,为了不影响您的使用,建议您使用最新的谷歌浏览器、火狐浏览器、 360浏览器,更换浏览器后使用更流畅!(注意!双核浏览器请切换为极速模式)
400-607-9388

天津大学,Nature Energy!

2025-06-11
4250

艾思科蓝官网-版头.gif


640 (3).png

第一作者:Ruguang Wang, Yuting Yang, Jiaxin Guo

通讯作者:Tao Ling

通讯单位:天津大学


研究要点

本文通过将Brønsted酸氧化物(MoO3−x)引入质子交换膜(PEM)电解槽阴极催化剂层,构建了强酸性微环境,显著提升了电解槽在非纯水(如自来水)中的稳定性和性能。该设计使电解槽在1.0 A cm−2电流密度下稳定运行超过3,000小时,性能媲美传统纯水电解系统。


研究背景

传统PEM电解槽依赖超纯水(18 MΩ cm)作为原料,以避免阳离子杂质(如Na+、Ca2+、Fe3+)导致的膜降解和催化剂失活。然而,超纯水制备成本高且水资源消耗大,限制了PEM电解技术的规模化应用。开发适应非纯水的电解槽可降低预处理成本并延长系统寿命,但需解决阳离子占据质子传输位点、阴极碱性微环境引发沉淀等问题。


研究思路

1. 设计催化体系

关键问题:作者发现阳离子杂质会占据膜中的H+传输位点,导致阴极局部pH升高,同时引发以下问题(图1):

1.析氢反应(HER)动力学降低(2H2O + 2e → H2 + 2OH);

2.OH与Ca2+/Mg2+形成沉淀,毒化Pt/C催化剂;

3.Fe3+触发Fenton反应,产生活性氧(ROS)加速膜降解。


解决方案:在阴极引入Brønsted酸性氧化物(如MoO3−x),通过动态水解离和H+释放,构建局部强酸性微环境,抑制pH升高并保护膜和催化剂。


640 (4).png

图1. 阳离子杂质对PEM电解槽性能的影响


2. 关键实验证明

作者通过红外光谱和固体核磁共振证实MoO3−x具有强Brønsted酸性,其表面Mo-O-H基团在阴极电位下持续释放H+。原位拉曼光谱进一步揭示了电压驱动的水解离机制,阴极电位驱动MoO3−x表面水解离生成H+;旋转环盘电极(RRDE)测试证实MoO3−x表面局部pH可降至2(图2)。


640 (5).png

图2. MoO3−x的酸性表征及H+释放机制


3. 电解槽性能与稳定性测试

基于以上实验结果,作者将MoO3−x负载于Pt/C(Mo/Pt原子比1.02)设计合成了阴极电催化剂,并测试了其在PEM电解槽中的性能(图3、图4和图5):

局部pH调控:传统Pt/C阴极在含Na+/Ca2+的电解液中,局部pH升至10.4(图1d);而MoO3−x@Pt/C阴极将pH稳定在2.5–3.5(图3)。

性能对比:当水中分别含30 mM Na+、15 mM Ca2和10 mM Fe3+时,MoO3−x@Pt/C||IrO2电解槽的电压仅分别增加50、70和15 mV(1.0 A cm−2),接近超纯水条件下的性能(图3d);此外,在Fe3+存在的条件下,膜降解显著减轻(图4):F释放量显著降低,XPS显示C-F信号无损失。

长期稳定性:在自来水(含多种杂质)中稳定运行3,000小时,电压保持稳定(图5a)。 


640 (6).png

图3. MoO3−x@Pt/C电解槽的性能与局部pH调控


640 (7).png

图4. MoO3−x@Pt/C电解槽的性能与局部pH调控


4. 技术经济分析

最后,作者通过蒙特卡洛模拟表明该技术可降低氢气平准化成本(LCOH):

纯水场景:避免水净化系统故障损失,年节省1.7-7.9万美元(2,000 kg H2/天)。

非纯水场景:省去纯水制备成本,年节省4.2-32.1万美元(图5f)。


640 (8).png

图5. 电解槽在自来水中的稳定性及经济性分析


小结

本文通过Brønsted酸性氧化物调控阴极局部pH,解决了PEM电解槽在非纯水中的性能瓶颈,为绿色氢能的大规模低成本生产提供了新策略。


原文详情

Ruguang Wang, Yuting Yang, Jiaxin Guo, Qinhao Zhang, Fahe Cao, Yunjian Wang, Lili Han, Tao Ling. Cathode catalyst layers modified with Brønsted acid oxides to improve proton exchange membrane electrolysers for impure water splitting. Nat. Energy (2025).https://doi.org/10.1038/s41560-025-01787-9


艾思科蓝官网-版尾.jpg


已收藏 0
点赞 3

学术会议

【IEEE出版 | 兰州大学校内举办】第19届复合医学工程国际会议(CME 2025)
第19届复合医学工程国际会议(CME 2025)将于2025年8月1日至3日在中国甘肃省兰州市举行,会议由国际复合医学工程学会(ICME)主办, 兰州大学承办。
2025-08-01
【高层次|国际化|连续11届EI检索】第十二届行为与社会计算国际会议(BESC 2025)
行为与社会计算国际会议(BESC)是一个重要的国际论坛,旨在汇聚来自人工智能、计算社会科学、自然语言处理、商业与市场,以及行为与心理科学等领域的学术研究人员和行业实践者,共同展示最新的研究成果。
2025-10-16
【院士报告,JPCS独立出版,EI检索】2025年先进材料与结构力学国际学术会议(ICAMSM 2025)
2025年先进材料与结构力学国际学术会议(ICAMSM 2025)2025年先进材料与结构力学国际学术会议(ICAMSM 2025)将于2025年7月25日至27日在中国沈阳举行。
2025-07-25
【IEEE出版|EI稳定检索|往届快至会后3.5个月检索】第五届计算机科学与区块链国际学术会议(CCSB 2025)
第五届计算机科学与区块链国际学术会议(CCSB 2025)将于2025年8月1日至3日在中国深圳市召开,会议旨在为计算机科学与区块链相关领域的专家、学者提供一个交流思想、促进合作的平台。
2025-08-01
【IEEE出版 | 往届提交后两个月检索】第四届半导体与电子技术国际研讨会(ISSET 2025)
2025年第四届半导体与电子技术国际研讨会(ISSET 2025)将于2025年7月25日-27日在中国西安举行。ISSET 2025将围绕“半导体”与“电子技术”等相关最新研究领域展开。
2025-07-24
【七专题会场|高层次专家报告|稳定检索】第二届可持续发展与能源资源国际学术会议(SDER 2025)
第二届可持续发展与能源资源国际学术会议(SDER 2025)将于2025年8月1-3日在中国深圳隆重举行。大会诚邀国内外高校、科研机构专家、学者,企业界人士及其他相关人员投稿与参会交流。
2025-08-01
相关资讯

7所高校,齐发Nature!

近日,上海交通大学、北京师范大学、电子科技大学、成都大学、南方科技大学、北京大学、中国科学院大学在Nature发文!

48171

39

2023-03-03

5所“双一流”,齐发Nature!

近日,山西大学、浙江大学、清华大学、复旦大学、北京大学的研究成果发表于Nature。

47486

20

2023-02-27

顶刊再+1!看浙大“女娲”AI模型

顶刊再+1!看浙大“女娲”AI模型

4901

3

2025-07-10

博士生一作!北京理工大学,Nature Protocols!

博士生一作!北京理工大学,Nature Protocols!

4136

4

2025-07-09

南策文院士领衔!清华大学/福州大学/北京大学,最新Nature子刊!

南策文院士领衔!清华大学/福州大学/北京大学,最新Nature子刊!

4752

4

2025-07-08

北京大学汤富酬团队最新Nature子刊

北京大学汤富酬团队最新Nature子刊

4153

4

2025-07-07