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质子交换膜水电解制氢（PEMWE）由于具有低能耗、宽功率波动和高动态响应等突出优势，被认为是耦合可再生能源绿电制绿氢的优选技术，但高度依赖高用量铂族金属（目前阴极Pt和阳极Ir用量分别为0.3-0.5和1-1.5 mg/cm²），严重制约了其规模应用。
近日，中国科学院上海高等研究院绿色氢能团队在PEMWE低贵金属催化领域取得重要进展，在阴极低Pt、阳极低Ir催化剂研究与电解池应用方面取得新突破，相关成果为绿氢制备降本增效提供了关键技术支撑。
在阴极催化剂研究方面，研究团队通过自发沉积，在部分氧化的Ru纳米粒子表面合成了Cl配体和Ru协同稳定的Pt单原子催化剂（Pt1Cl0.5/Ru-NPs@RuOx），该催化剂展现出优异的析氢反应（HER）性能。HER过电位仅13.2 mV（10 mA/cm²），远低于商业Pt/C催化剂的35 mV。在PEMWE应用中，该催化剂Pt用量降至10 μg/cm²，采用Nafion 115膜在2 A/cm²电流密度下电解电压为1.76 V，并在 1 A/cm² 下稳定运行超 1000小时，且运行后 Pt 原子未见团聚。研究表明，Cl配体与Ru载体的协同作用形成稳定的Pt-Cl-Pt配位结构，突破了Pt单原子催化剂器件应用稳定性的瓶颈。
相关结果发表Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是中国科学院上海高等研究院博士研究生王乾森、上海科技大学博士研究生凌文慧，通讯作者为程庆庆、杨波、杨辉。
在阳极催化剂研究中，团队通过硫掺杂改性 IrO2 ，成功实现氧析出反应（OER）路径从传统吸附演化机理向晶格氧机理的切换。硫掺杂诱导 IrO₂晶格膨胀，形成非键氧态（ONB）作为电子牺牲剂，在提升催化活性的同时维持了Ir-O键级的稳定性。采用该催化剂将Ir用量从常规的1.0~1.5降至0.3 mg/cm²，采用Nafion 115膜与GORE 80μm膜在 2.0 A/cm² 电密下电解电压分别为1.77 与1.69 V，超过美国能源部2026年目标，且在1.0 A/cm² 下运行1000 小时电压衰减率仅为 16.6 μV/h。
相关结果发表在Advanced Materials上，文章的第一作者是中国科学院上海高等研究院博士研究生杨晨璐，通讯作者为程庆庆、王国樑、杨辉。
这两项研究分别从阴极 Pt 单原子稳定化和阳极 Ir 基催化剂机理调控出发，显著降低了 PEMWE 对贵金属的依赖，为绿氢规模化生产奠定了重要技术基础。
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