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“多謝大家的堅持，在經(jīng)費(fèi)短缺、前途不明的極端惡劣情況下，吃著我畫的大餅硬是撐到了現(xiàn)在。不知道工業(yè)界原來這么好玩?！闭劶白曰I經(jīng)費(fèi)發(fā)在Science的論文，四川大學(xué)教授康毅進(jìn)告訴 DeepTech。

研究中，他和團(tuán)隊造出一種鉭摻雜氧化釕催化劑，目前已實(shí)現(xiàn)工業(yè)級量產(chǎn)，實(shí)測壽命近 3000 小時。

康毅進(jìn)表示，石油以及天然氣化石能源屬于地球上的資源儲備，其儲量比較有限。為了人類更長遠(yuǎn)的未來，我們必須尋找可持續(xù)的能源。

長期來看，太陽能是我們的最可靠選擇（風(fēng)能也是太陽能的另外一種形式），而太陽能的時間和地域分布要求有一個能源載體來實(shí)現(xiàn)隨時隨地的能源需求。

水氫循環(huán)由于其無碳排放的閉合循環(huán)好處多多，加上大自然的啟示（太陽就是一個大氫彈、水是生命之源），人們發(fā)現(xiàn)氫是一個近乎完美的能源載體。

“十四五”、《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》、“雙碳”目標(biāo)等文件的發(fā)布，體現(xiàn)了國家大力發(fā)展清潔能源體系的國家意志，其中氫能體系為主要建設(shè)目標(biāo)之一。各大國企、央企集中上馬氫能項(xiàng)目，據(jù)不完全統(tǒng)計有三分之一的國企央企參與了氫能相關(guān)項(xiàng)目。

我國是一個氫氣需求大國，目前年需求為 3000 多萬噸，至 2060 年我國氫氣年需求量預(yù)計將增至 1.3 億噸左右，若以現(xiàn)有以化石能源為主的氫能供給結(jié)構(gòu)測算，需排放 12-18 億噸二氧化碳，違背氫能發(fā)展初衷。這就意味著未來的氫氣供給，必然是基于電解水制氫的綠氫。

目前綠氫制備主要有三大技術(shù)：堿水體系、質(zhì)子膜、陰離子膜電解水。其中堿水體系效率低下且有安全隱患，最重要的是其小時級的啟停時間與太陽能、風(fēng)能等匹配不佳；而陰離子膜技術(shù)受膜壽命影響，預(yù)計成熟期在十到二十年之外。

因此人們開始關(guān)注能量效率高、因秒級響應(yīng)完美匹配可再生能源的質(zhì)子膜電解水技術(shù)。然而，質(zhì)子膜電解水在目前市場份額不到 10% 的尷尬境地主要由其陽極催化劑造成。

一方面，落后的催化劑技術(shù)導(dǎo)致質(zhì)子膜電解水技術(shù)完全沒有體現(xiàn)出其對于堿水系統(tǒng)該有的優(yōu)勢。另一方面，目前的工業(yè)陽極催化劑全部基于金屬銥，而銥的極端稀缺性，即年產(chǎn)不過 7-12 噸，哪怕全部用于裝備電解水也不過 GW 量級，導(dǎo)致了供應(yīng)鏈不可承受的極端壓力。

幾年前，康毅進(jìn)團(tuán)隊成立了天芮科技有限公司，并與東方電氣集團(tuán)開展合作，旨在開發(fā)高效低銥和終極的非銥陽極催化劑，用以制造高效質(zhì)子膜電解水系統(tǒng)。

氧化釕，作為氧化銥催化劑最有希望的替代品，受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，其穩(wěn)定性對比銥相差了至少兩個數(shù)量級，其僅數(shù)小時的壽命遠(yuǎn)不足以工業(yè)應(yīng)用。

康毅進(jìn)表示：“科學(xué)層面上對于氧化釕穩(wěn)定性理解的缺乏，導(dǎo)致無法設(shè)計實(shí)用的穩(wěn)定催化劑。而學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的日漸脫節(jié)，也造成了學(xué)術(shù)界對于工業(yè)應(yīng)用的曲解，科學(xué)家們觀測到的‘穩(wěn)定性’其實(shí)來源于其他原因?！?/p>

基于上述原因出發(fā)，他和團(tuán)隊以高度可控的表面模型來研究氧化釕催化劑的失效原理。他們發(fā)現(xiàn)氧化釕在電解水過程中會形成新的物相從而造成表面重構(gòu)，而新的物相可能是可溶的高價釕物種。

在電解水過程中，氧化釕催化劑表面由于該機(jī)理而迅速溶解，雖然短期造成了高比表面積從而暫時提高了活性，但是長期來看催化劑溶解造成了電極結(jié)構(gòu)崩塌從而導(dǎo)致失效。

經(jīng)過篩選，他們發(fā)現(xiàn)添加金屬鉭可以有效抑制該可溶性新物相的形成。美國加州理工的William A. Goddard III 教授團(tuán)隊使用理論計算模型，幫助他們理解了其中可能的原因。

簡單來說，金屬鉭使得材料缺陷位（一般往往是最不穩(wěn)定的位置）上的釕更難形成高價態(tài)可溶物?；谠摾碚撝笇?dǎo)，他們制造出了工業(yè)級可量產(chǎn)的鉭摻雜氧化釕催化劑，并通過了初步的工業(yè)級測試。

盡管近 3000 小時的實(shí)測壽命離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用期待的萬小時壽命差距還是很大，但是基于實(shí)踐上但凡能活過 500 小時的工業(yè)催化劑都大概率可以走到最后，他們對于該氧化釕催化劑最終可用于裝備質(zhì)子膜電解水系統(tǒng)持非常樂觀的態(tài)度。

如前所述，銥催化劑幾乎不可能是質(zhì)子膜電解水陽極催化劑的終極選項(xiàng)。質(zhì)子膜電解水技術(shù)占領(lǐng)市場，必然基于非銥催化劑之上。所以他們期待本次氧化釕催化劑能夠成為電解水制氫市場的 Game Changer。

此外，由于其高穩(wěn)定性和相比銥顯著低廉的原料價格，氧化釕催化劑在尺寸穩(wěn)定陽極市場上也許會有一席之地。

康毅進(jìn)表示，天芮科技的定位就是一個以氫能為目、以催化技術(shù)為核心的科技公司，旨在開發(fā)質(zhì)子膜電解水技術(shù)、陰離子膜電解水技術(shù)和高溫電解水技術(shù)。

由于陰離子膜電解水技術(shù)和高溫堆技術(shù)離市場化還較遠(yuǎn)，所以他們將短期目標(biāo)定為開發(fā)質(zhì)子膜電解水用催化劑。

在測試眾多候選催化劑不可用之后，他們迅速發(fā)現(xiàn) Pourbaix Diagram 其實(shí)早就已經(jīng)幫他們做了初篩。

康毅進(jìn)表示：“‘命中注定’那些組分其實(shí)都是不可能的。金屬鉭也是這么被選出來的。但早期測試發(fā)現(xiàn)摻鉭有時有用、有時沒用，結(jié)合文獻(xiàn)也得不出什么有用結(jié)論，總不能簡單歸結(jié)為‘合成的藝術(shù)’吧。”

于是，他們萌生了使用模型材料從頭研究氧化釕溶解機(jī)理的想法?！昂苄疫\(yùn)我們找到了 Goddard 教授，在中美對抗大潮中，也只有這么大咖的元老級教授才敢跟我們合作?！笨狄氵M(jìn)表示。

然后，他們從基礎(chǔ)模型研究得出的結(jié)論，借此得以進(jìn)一步優(yōu)化他們的納米顆粒催化劑，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)級別的應(yīng)用。

日前，相關(guān)論文以《用于工業(yè)水電解的鉭穩(wěn)定化氧化釕電催化劑》（Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis）為題發(fā)在Science[1]。

四川大學(xué)博士生張佳豪、新加坡國立大學(xué)助理教授付先彪和美國加州理工學(xué)院科學(xué)研究員權(quán)旼赫（Soonho Kwon）博士是共同一作，四川大學(xué)康毅進(jìn)教授和美國加州理工學(xué)院 William A. Goddard III 教授擔(dān)任共同通訊作者。