华东理工大学质子交换膜电解水非贵金属阳极催化剂研究获进展

近日，华东理工大学材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在质子交换膜电解水（PEMWE）非贵金属阳极催化剂研究领域取得新进展。该研究成功开发出一种具有自修复功能的镧掺杂钴锰氧化物（LCM）阳极材料，在工业级电流密度下实现了长达1200小时的稳定运行，相关成果在线发表于《能源与环境科学》。

可再生能源驱动的质子交换膜电解水制氢技术是实现绿氢规模化生产、推动能源转型的关键路径之一。然而，当前PEMWE技术严重依赖铱（Ir）等贵金属作为阳极催化剂，其资源稀缺性和高昂成本极大限制了该技术的大规模应用。开发高性能、高稳定性的非贵金属阳极材料，成为推动PEMWE商业化应用的核心挑战。

有鉴于此，研究团队基于“动态稳定”的设计理念，通过La3+掺杂策略，成功构建了一种具有自修复功能的钴锰氧化物（LCM）阳极材料。La³⁺的大离子半径和稳定氧化态有效增强了阳极材料晶体结构的稳定性，并引入大量氧空位，促进了活性位点（Co物种）在工作电位下的动态溶解-再沉积平衡，从而实现了在严苛酸性环境下的长期稳定运行。为深入理解电位对溶解-沉积过程的调控作用，团队系统比较了2 A cm⁻²与6 A cm⁻²电流密度下的金属离子溶出行为，发现较高电流密度可显著促进再沉积过程，从而更快实现动态平衡。这一电位依赖的动态自平衡机制，是LCM实现结构“自修复”并维持长期运行稳定的关键。最终，该LCM阳极在PEMWE系统中表现出卓越的电催化性能与稳定性：在2 A cm⁻²电流密度下可持续运行1200小时，在5 A cm⁻²高电流密度下也能稳定运行200小时，总电荷转移量达到106 C cm⁻²，远超此前报道的非贵金属阳极材料。通过原位光谱技术和理论计算进一步揭示，La掺杂不仅优化了材料的电子结构，提升了本征催化活性，还通过形成表面非晶羟基氧化物层，有效抑制了金属离子的持续溶出，实现了“自修复”功能。

该研究创新性地在PEMWE实际运行条件下实现了非贵金属催化剂的动态平衡机制，为设计下一代高性能、低成本、长寿命的PEMWE阳极材料提供了新思路，对降低制氢成本、推动绿氢产业发展具有重要意义。

图片说明：镧掺杂钴锰氧化物阳极催化材料的“自修复”机制及其在质子交换膜电解水器件中的稳定性