華東理工大學材料科學與工程學院教授侯宇、楊化桂，副教授劉鵬飛團隊，開發了一種具有自修復功能的鑭摻雜鈷錳氧化物（LCM）陽極材料，在工業級電流密度下實現了長達1200小時的穩定運行，為設計下一代高性能、低成本、長壽命的PEMWE陽極材料提供了新思路，對降低制氫成本、推動綠氫產業發展具有重要意義。相關研究近日發表于《能源與環境科學》。
可再生能源驅動的質子交換膜水電解制氫（PEMWE）技術是實現綠氫規模化生產、推動能源轉型的關鍵路徑之一。然而，當前PEMWE技術的陽極催化劑嚴重依賴于銥（Ir）等儲量低、成本高昂的貴金屬，極大限制了該技術的大規模應用。開發高性能、高穩定性的非貴金屬陽極材料，是當前推動PEMWE商業化應用的核心挑戰。
研究團隊基于“動態穩定”的設計理念，通過鑭離子（La3+）摻雜策略，構建了一種具有自修復功能的鈷錳氧化物（LCM）陽極材料。機制研究表明，La3+的大離子半徑和穩定氧化態有效增強了陽極材料晶體結構的穩定性，并引入大量氧空位，促進了活性位點在工作電位下的動態溶解-再沉積平衡，從而實現了在嚴苛酸性環境下的長期穩定運行。此外，La摻雜通過形成表面非晶羥基氧化物層，有效抑制了金屬離子的持續溶出，實現了“自修復”功能。
進一步地，研究團隊系統比較了2 A cm?2與6 A cm?2電流密度下的金屬離子溶出行為，發現較高電流密度可顯著促進再沉積過程，從而更快實現動態平衡，而這是LCM實現結構“自修復”并維持長期運行穩定的關鍵。測試結果表明，該LCM陽極在PEMWE系統中表現出優異的電催化性能與穩定性，在2 A cm?2電流密度下可持續運行1200小時，在5 A cm?2高電流密度下也能穩定運行200小時，總電荷轉移量達到106 C cm2。
相關論文信息：https://doi.org/10.1039/D5EE02703A
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