一、研究背景：PEM电解水阴极的「铂成本困局」
质子交换膜（PEM）电解水技术因其高电流密度、紧凑结构和快速响应能力，被公认为最具工业化前景的绿氢制备路线之一。然而，该技术长期受制于对贵金属催化剂的依赖——不仅阳极需要昂贵的铱（Ir）基催化剂，阴极同样高度依赖铂（Pt）基催化剂。据公开数据，当前每公斤铂价格超过40万元人民币，且我国铂族金属资源匮乏，每年85%以上需求依赖进口。这一瓶颈导致PEM电解槽成本居高不下，严重制约了绿氢的规模化推广。
传统商业Pt/C催化剂面临分散性差、金属-载体相互作用弱、纳米颗粒易团聚等问题，在PEM电解水动态酸性工况下尤为突出。如何以可规模化的方式合成低铂载量、高活性、长寿命的阴极析氢（HER）催化剂，是学术界与产业界共同面临的核心挑战。在PEM电解水测试台的实际验证中，阴极催化剂的长期稳定性更是衡量电解槽整机寿命的关键指标。
二、创新方法：镍驱动一步还原置换（ORD）策略
针对上述挑战，赵一新教授团队另辟蹊径，提出了一种「镍驱动一步还原置换」（ORD）策略。该策略以含镍的氮掺杂碳纳米管（NCNT-Ni）为载体，利用镍金属颗粒的还原性，在常温条件下将Pt⁴⁺直接还原为Pt单原子和原子簇，同时Pt物种取代NCNT上配位的Ni单原子，自发构建出具有N₂-Pt-Cl₂配位结构的单位点催化剂（NCNT-Ni/Pt）。
该方法具有三大核心优势：
- 🔬 常温合成、无需复杂前驱体：无需铂配合物前驱体（如Pt(acac)₂）、额外还原剂或高温处理，避免传统合成路线的环境与成本负担。
- 📊 可规模化生产：实验室条件下单批次产量可超过10克，远超常规实验室合成量级，具备良好的工业放大潜力。
- ⚙️ 通用性强：该还原置换策略已成功拓展至铱（Ir）和钌（Ru）等其他贵金属，展现出良好的方法普适性。
三、卓越性能：铂用量仅为商业催化剂1/50
在酸性介质（0.5 M H₂SO₄）中的电催化测试结果表明，NCNT-Ni/Pt催化剂的性能全面超越了商业60 wt% Pt/C催化剂。以下为关键性能数据的对比：
| 性能指标 | NCNT-Ni/Pt（本研究） | 商业60% Pt/C | 提升倍数 |
|---|---|---|---|
| 铂载量 | 6 μg/cm² | ~300 μg/cm² | 降至1/50 |
| 10 mA/cm² 过电位 | 7.78 ± 0.86 mV | 27.53 ± 3.58 mV | 降低72% |
| Tafel斜率 | 9.85 mV/dec | ~30 mV/dec | 显著更低 |
| 质量活性 @50 mV | 69.14 A/mg | 0.80 A/mg | 86.4倍 |
| 转换频率（TOF）@50 mV | 68.82 s⁻¹ | 0.81 s⁻¹ | 85.1倍 |
| 价格归一化活性 | 2138 A/$ | 24.74 A/$ | 86倍 |
| 法拉第效率 | ~100% | ~100% | 持平 |
从上表可以看出，该催化剂在铂用量大幅降低的前提下，在过电位、反应动力学、贵金属利用效率和成本效益等关键维度上均实现了数量级提升。尤其值得关注的是，价格归一化活性达到商业Pt/C的86倍，即每美元投入获得的催化活性远超现有方案，经济性优势十分突出。这一突破对于依赖贵金属的PEM电解槽测试设备和氢能测试设备行业而言，意味着未来电解槽的阴极材料成本有望大幅下降。
四、工程化验证：PEM电解槽4500小时长跑创纪录
在实验室三电极体系获得卓越性能后，研究团队进一步将该催化剂集成至PEM电解槽中进行工业级工况验证。结果令人振奋：
- ✅ 工业级电流密度：在1 A/cm²电流密度下，电解槽电压仅需1.63 V，远优于商业催化剂体系（通常1.7-1.8 V以上）。
- ✅ 超长运行寿命：在1 A/cm²持续运行超过4500小时（约188天），性能衰减速率低至3.3 μV/h，几乎可忽略不计。
- ✅ 光伏耦合验证：与效率21%的商业光伏组件耦合后，在工业级电流密度下实现了16.06%的太阳能-制氢（STH）效率，充分验证了其在波动性可再生能源场景下的适配能力。
- ✅ 绿色制备路径：研究还探索了利用废弃三聚氰胺甲醛树脂作为碳源，生命周期评估表明该路径可显著降低碳排放与化石能源消耗。
该电解槽的4500小时长周期运行数据，无疑是极低衰减速率下最引人注目的亮点之一。对于PEM电解水测试台和膜电极测试夹具而言，这意味着未来在测试新一代低铂阴极材料时，不仅需要关注短期极化曲线和阻抗谱，更需要建立千小时甚至万小时级别的长期稳定性评估能力，以充分验证新型催化剂的工程化可行性。
五、动态配位机制：从N₂-Pt-Cl₂到N₂-Pt-H的智能演变
除了优异的性能数据，该研究的另一个亮点在于其深入的机理探究。团队通过原位红外光谱（DRIFTS）、X射线吸收精细结构（XAFS）等手段，揭示了催化剂在析氢反应过程中的动态配位演变机制：
- 🧪 初始结构：催化剂在合成后呈现N₂-Pt-Cl₂配位构型，Pt-Cl键对稳定铂位点结构起到关键作用。
- 🧪 反应激活：在HER反应过程中，Cl逐渐脱离铂中心，Pt位点转变为更活跃的N₂-Pt-H结构。
- 🧪 能垒优化：N₂-Pt-H配位环境显著优化了氢吸附自由能（ΔG_H*），使氢的吸脱附更接近理想热中性条件，从而大幅提高反应动力学。
这种「动态配位调控」机制为单原子催化剂的设计提供了全新思路：催化剂在反应过程中并非一成不变，而是通过配位环境的自适应演变来优化催化活性。这一发现对催化剂浆料制备工艺的优化具有重要参考价值——在超声分散和浆料配制过程中，需要充分考虑催化剂配位结构在活化前后的演变特征。
上海交通大学环境科学与工程学院赵一新教授表示：「该研究通过构建低载量铂单位点催化剂，实现了从材料设计、机理研究到工程应用的系统突破，不仅显著降低了贵金属使用量，也验证了其在实际电解水与光伏耦合体系中的可行性。」（来源：上海交通大学环境科学与工程学院官网）
六、对氢能测试设备行业的启示
上海交大团队这一成果不仅在学术层面具有重要价值，对氢能测试设备行业也传递了清晰信号：
- 📈 低铂阴极的产业化临近：随着极低铂载量催化剂的接连突破，PEM电解槽阴极材料正在从「实验室新奇」走向「工程化方案」，中试放大和批量生产即将提上日程。
- 📈 长周期测试需求升级：4500小时甚至更长的稳定性数据要求PEM电解水测试台具备自动化的长时间无人值守运行能力、高精度的在线电压监测（μV级分辨率），以及完善的故障诊断与数据记录系统。
- 📈 阴阳极耦合测试需求：新一代低铂阴极需要与不同阳极催化剂（如低铱载量阳极）进行组合优化测试，这要求膜电极测试夹具和PEM电解槽测试设备具备灵活的阴阳极独立供料与独立电位监测能力。
- 📈 浆料-涂布-组装全链条协同：单位点催化剂的浆料配制、超声喷涂成膜和膜电极热压封装工艺与传统Pt/C存在差异，对超声分散机、超声喷涂机和平板热压机的工艺参数优化提出新要求。
合肥博格达氢能科技有限公司自主研发的PEM电解水测试台支持0-100 A宽量程电流扫描、EIS在线阻抗分析和万小时级长周期自动测试，膜电极测试夹具支持阴阳极独立电位监测与差压控制，超声喷涂机可精确控制催化剂载量与涂布均匀性，已为国内多所高校和科研机构提供低铂催化剂验证的设备支撑。
（本文基于公开科研进展整理。）
