中国科学院长春应用化学研究所创新研发高效纳米氢能催化材料助力绿氢产业升级

　　在碳达峰和碳中和的大时代背景下，加快新能源产业发展必将带动国家能源格局的变化。氢能是最具发展潜力的清洁能源，高效制氢属于国际前沿研究课题。近年来，层出不穷的绿氢示范项目使我国已成为全球氢能发展的热点和高地。其中，碱性电解水制氢系统已进入商业化运营阶段，是实现可再生能源大规模制氢的重要方式。但是，产业的基础创新能力、相关核心材料和技术水平的研发能力还有欠缺。因此，发展氢能，不仅基于市场需求，更基于国家发展。中国科学院长春应用化学研究所团队面向国家战略需求，瞄准国际前沿研究课题，以规则形貌调控与表界面修饰-自支撑纳米复合体系构筑-氢能应用为主线，在发展并揭示了第六族金属硫化物氢能材料及其催化机理、构筑第六族金属硫化物阵列负载型异质结氢能材料体系和揭示活性位演变过程及稳定机制三方面取得了具有国际影响力的创新成果。该技术荣获2024年度吉林省科学技术奖一等奖。

图1. 发展并揭示第六族金属硫化物氢能材料及其催化机理：（A）精准制备硫化物氢能纳米点的代表性示意图；（B）硫化钨纳米点和（C）硫化钼纳米点。

图2. 构筑第六族金属硫化物阵列负载型异质结氢能材料体系：（A）构筑硫化物阵列负载型异质结氢能材料的代表性示意图；（B）阵列负载氢能材料电镜图；（C）硫化钼/钌异质结电镜图;（D）硫化钨/镍@氧化镍异质结电镜图和（E）阵列负载型异质结氢能材料的制氢示意图。

图 3. 揭示活性位演变过程及稳定机制：（A）阵列负载型催化材料的全电解水示意图；（B）阵列负载硫化钼/钌异质结的水电解机理解析；（C）钌（铱）掺杂镍钒水滑石的水电解机理解析和（D）镍、铁和锌三元金属氢氧化物的原位拉曼光谱解析、缺陷产生过程、活性位中心及机理解析。

　　团队利用表面活性剂具有降低水溶液表面张力和液体-蒸汽水界面能垒及减弱材料团聚驱动力的优势，实现了硫化物纳米点氢能材料的液相超声剥离，发展了一种硫化物纳米点氢能材料的普适性快速制备方法，突破了传统硫化物纳米点制备的局限性，引领了硫化物纳米点材料的发展与应用。项目团队进一步利用阵列材料所独具的高导电性、高结构稳定性、高活性面积提高活性位点利用率及扩散传质性能等优势，创新性提出以阵列材料为载体合理设计和调控异质结结构的策略，实现了电子离子在界面处的快速转移，构筑出第六族金属硫化物阵列负载异质结氢能材料体系，推动了阵列负载型催化材料在能源领域的应用。此外，项目团队对催化材料表界面的化学结构动态变化进行深入研究，揭示了活性位点的反应特性，确定了催化材料的结构-性能关系，最终阐明了催化反应本征动力学和反应机理。在此基础上，项目团队立足于化学和材料学科前沿，以国家重大战略需求-氢能为牵引，开展跨学科、跨领域的能源电化学研究，在催化材料（异质结、应变、缺陷等）、理论和实践方面取得了系统性创新研究成果。

　　纳米催化技术作为前沿交叉学科的重要突破点，正在能源转型、环境治理和生命健康等领域展现出变革性潜力。洁净氢能在实现能源安全和"双碳"战略目标的过程中发挥着关键作用，作为氢能与燃料电池产业的核心技术支撑，催化剂性能直接决定着整个行业的发展水平。通过开发负载型催化材料的规模化制备工艺，不仅能够有效推动绿色制氢技术的进步，还将显著提升燃料电池性能和工业催化效率，为相关领域的产业化应用创造更广阔的发展空间。(科学技术奖励处）