“重構的過程中，其他原材料中也可能含氟，怎么就能說明是我們的氟在起作用？”
面對導師、西安交通大學化工學院研究員趙旭的提問，博士生趙靜璇一時語塞。她原本以為實驗有了一些進展，這一問，又打回了原點。
“這個問題后來困擾了我很久，但做科研必須追根究底，無法回避，否則認知永遠是混亂的。”趙靜璇回憶道。她所在的團隊，正致力于攻克高性能陰離子交換膜電解水制氫技術的瓶頸。
歷經兩年探索，他們最終提出了一種簡便的“氟介導穩定重構策略”，制備出的新型催化劑，讓水電解制氫產量比以往貴金屬催化劑暴增5倍，并在1200小時制氫中耗電大幅縮減至0.09毫伏每小時。該成果近期發表在《德國應用化學》上。
重構導致性能衰減
氫能作為清潔能源的重要載體，其高效制備技術備受關注。陰離子交換膜電解槽結合了堿性電解槽和質子交換膜電解槽的優勢，被認為是實現低成本低能耗制氫的關鍵路線之一。
然而，在陰離子交換膜電解槽中經常面臨一個難題：處在高電位強堿性環境下的陽極端催化劑材料不管一開始設計的有多好，都會在制氫過程中發生重構，導致其性能發生不可控的變化。“最常見的就是活性和穩定性的衰減，衰減反應到成本上就是電水制氫耗電量加大，嚴重制約了陰離子交換膜電解槽的規模化應用。”趙旭解釋說。
西安交通大學化工學院研究員趙旭（前）與團隊在實驗室。李媛 攝
團隊聚焦上述問題，長期開展研究，此次進展是應對陰離子交換膜水電解制氫催化材料上。團隊通過在鈷基催化材料中預先埋入氟離子來拉住鈷元素，讓其在水制氫陽極端重構過程中維持較為穩定的結構，能夠在長周期的電槽制氫運行過程中保持非常好的狀態。
經測算，鈷基催化材料加入氟后，制氫所需電壓的增幅僅相當于無氟鈷基催化材料制氫電壓增幅的16%左右，相當于貴金屬催化材料制氫電壓增幅的4%左右。這就意味著，同樣運行很長一個周期，新型催化材料將帶來極為可觀的電能節省。
“外來氟”干擾
該項目開始源自于趙旭在給學生授課的過程中，汲取到的靈感。在無機化學章節里，有一個看似普通的原理，就是原子軌道的最大重疊。趙旭進一步解釋說，“當兩個原子相互靠近的時候，如果電子軌道重疊比較大，成鍵會很強。”
基于這一原理，趙旭立刻聯想到了氟。由于氟具有極強的電負性，堪稱原子世界的“引力之王”。當它與鈷等金屬原子結合時，能形成異常牢固的化學鍵。
“這就像一個強有力的抓手，能在材料重構的劇烈動蕩中，牢牢‘鎖住’鈷元素，維持主體結構的穩定。”趙旭說。這或許正是破解催化劑穩定性難題的關鍵。
順著這個思路，團隊起初只需要想辦法把氟引入到催化材料里邊，就能通過試驗去驗證結果。
讓團隊意想不到的是，就是這個看似簡單的過程經卻歷了長時間的探索和嘗試。“自然界里，尤其是化學實驗室里，很多試劑、膜材都含氟，如何證明是我們引入的氟在起作用，而不是環境中的外來氟？”趙旭坦言，團隊一開始走了很多彎路，花了大量時間排除干擾，有時整個實驗做完，才發現某個試劑含有雜質氟。
這正是當初那個讓趙靜璇沉默的問題。在長達數月的時間里，她幾乎“住”在了實驗室，反復嘗試、驗證、失敗、再嘗試。“那段時間非常焦慮，盡管相信理論，但五十多次的失敗，難免讓人自我懷疑。”
最終，通過海量的文獻查閱與實驗對比，趙靜璇找到了解決方案：她不僅尋得了完全不含氟的試劑，更通過精巧的對比實驗，捕捉到“自家”氟離子在反應中動態進出、最終促使材料形成一種獨特穩定結構的直接證據。
團隊研究發現，氟介導重構形成的，是一種長程無序但局部規整的非晶態催化劑結構，帶來了兩大好處：第一，它像強有力的雙手，拉緊了鈷和氧原子之間的“紐帶”，激活了平時不活潑的氧原子參與反應；第二，這種結構又在材料中制造了一種“拉伸感”，像一個“氧氣泵”，能快速為反應后的結構補充新的氧原子。這樣一來，反應中氧原子的“消耗”與“補充”就達到了平衡，催化劑就能持續穩定地工作。
綠色氫能產業化前景
基于嚴謹的數據，團隊開發的這種新策略，成功在電解水制氫陽極工作條件下“雕刻”出理想的規整無序結構催化劑。
通過試驗表明，在陰離子交換膜電解槽制氫過程中，采用該催化劑的電解槽制氫電流相較于以往的貴金屬催化劑提升5倍，耗電量僅為3.7度電/標方氫氣，并在80℃和工業電流密度下連續運行1200小時后性能幾乎無衰減。該研究為在真實工況下精準調控催化劑重構行為提供了新思路，對推動氫能產業發展意義重大。
團隊博士生趙靜璇（左）與博士生王坤杰（右）在做實驗。李媛 攝
回顧這段歷程，作為論文第一作者的趙靜璇深感，善于向導師求助、與團隊緊密協作是成功的關鍵。“科研沒有一帆風順，但只要堅持想去克服，總會有進步。能對自己付出的努力有個交代，就足夠了。”
目前，團隊正與相關企業對接，期待這項“節電神器”能盡快走向產業化，為綠色氫能的發展注入強勁動力。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/anie.202513592
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