近日，东北大学秦皇岛分校资源与材料学院的“氢”缘双全团队，成功研发出一种新型非贵金属基高活性水全解双功能电催化剂，为氢能源的高效制备提供了新的解决方案。
随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，氢能源作为一种清洁、高效的可再生能源，被视为化石燃料的理想替代品。目前，电催化析氢反应（HER）与电催化析氧反应（OER）组成的水全解技术是制取氢气的有效方法。然而，传统电催化剂多依赖贵金属，其高昂的成本、有限的储量以及稳定性问题，严重制约了氢能源产业的规模化发展。
针对这一难题，该团队另辟蹊径，基于密度泛函理论（DFT）对一系列硫化镍基电催化剂进行第一性模拟与筛选。通过深入研究，他们发现钴掺杂硫化镍具有最高的理论催化活性，钴取代引发的d带中心能级提高是活性提升的关键因素。在此基础上，团队成功实现了以低成本、储量丰富的原料，采用一锅法合成该催化剂，大幅降低了设备成本和原料成本。
在材料性能优化方面，团队对晶体生长过程进行调控，使催化剂具备由纳米囊膜包裹纳米点簇网络的独特微观形貌，纳米囊膜上的孔洞和裂缝极大地增加了反应活性面积。同时，通过精确调控掺杂比，进一步优化材料的d带中心，有效降低了反应决速步的活化能。经过一系列优化，该催化剂展现出一流的活性，在100 mA·cm−2的高电流密度下，过电位仅为185 mV，HER活性几乎与商业Pt/C催化剂接近，远超其他近期报道的相关材料。
从技术创新角度来看，该研究成果亮点频出。团队采用第一性原理计算筛选高活性催化剂，摒弃了传统的高耗时实验筛选方法，极大地降低了人力和物力消耗。合成的全新微观形貌不仅提供了高活性面积，还具备独特的扩散机制。此外，新研发的电催化剂与商用贵金属催化剂相比成本更低，与氧化物催化剂相比导电性更好，合成过程相较于碳化物、氮化物、磷化物等更加绿色安全。
在应用场景方面，该催化剂可广泛应用于电催化水全解制氢领域，无论是实验室小规模制备，还是工业级大规模生产，都展现出良好的应用前景。专家认为，提升电催化剂活性有助于提高质子交换膜电解槽的性能并降低设备成本。随着可再生能源发电成本的持续降低，绿氢在未来能源结构中的占比将逐年上升，预计2050年将达到70%。
该催化剂所产生的绿氢在多个领域具有广阔的应用前景。在交通领域，氢燃料电池在公路长途运输、铁路、航空及航运等方面有望得到广泛应用，助力减少碳排放；在工业领域，氢能可作为能源燃料和重要工业原料，帮助石油化工和钢铁工业实现节能减排；在建筑领域，氢能与建筑融合，实现热电联供，提高能源使用效率，完善家庭电网，减少能源消耗；在军事领域，氢燃料电池可提升潜艇的静谧性和推进效能；在电力领域，电解水制氢结合氢储能，能够解决电网削峰填谷和新能源并网稳定性问题。
东北大学秦皇岛分校学子的这一研究成果，为氢能源产业的发展注入了新的活力，有望推动我国在绿色能源领域取得更大突破，在全球能源转型进程中发挥重要作用。未来，团队将继续深入研究，进一步优化催化剂性能，加速其产业化应用进程。
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