（通讯员 刘友文） 2024年12月2日，《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）发表我校材料科学与工程学院、材料成形与模具技术全国重点实验室翟天佑教授和刘友文教授联合电气学院、强电磁工程与新技术全国重点实验室方家琨教授取得的重要研究成果“利用动态重构实现超稳定水电解制氢”（Utilizing reconstruction achieves ultrastable water electrolysis）。该成果开发了一种具备超高稳定性和高效性能的析氧催化剂，成功突破了工业水电解制氢技术中的瓶颈问题。
在全球能源转型的背景下，水电解作为生产绿色氢气的重要途径，备受关注。然而，传统水电解技术受限于催化剂性能不足，特别是在高电流密度下的稳定性差和高成本问题，难以实现大规模工业化应用。2019年以来材料学院翟天佑/刘友文与文劲宇/方家琨合作开展电解水制氢跨学科研究，团队通力协作，开展了电极材料设计合成、电堆结构和系统控制的全链条研究。
本研究提出了一种创新性的“动态重构与离子析出”策略，通过引入钼（Mo）作为牺牲剂，与镍铁硫化物（NiFe-S）结合，在催化过程中动态重构生成钼酸盐。这一过程不仅增强了催化剂内部M-S键的化学稳定性，还显著减少了关键活性位点的流失，从而提升了催化剂的长期运行性能。实验数据显示，该催化剂在实验室环境中表现出了卓越的性能，在电流密度达到400 mA cm−2时，其过电位仅为250 mV，并且在100 mA cm−2的条件下实现了超过3700 h的长时间稳定运行。在真实电解水工况下，该催化剂同样展现了非凡的表现，在8000 mA的高电流密度下稳定运行250 h，每公斤氢气的制备成本仅为2.46美元，已经达到欧盟未来十年绿色氢能发展的目标（小于2.5美元/公斤）。
这一结果表明，该技术在提高水电解效率和降低氢能生产成本方面具有重要的应用潜力。该工作通过原位电化学拉曼光谱、原位电化学阻抗及密度泛函理论计算，全面解析了催化剂在反应过程中的动态重构机制，进一步验证了钼酸盐的生成如何提升M-S键的键能强度，进而抑制硫和镍/铁离子的流失。这种新颖的“动态增强键能”策略为开发高性能水电解催化剂提供了新思路。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2407350121
