北京化工大学邵明飞教授在《Nature Materials》刊发最新研究成果

  11月14日，段雪院士团队邵明飞教授与新加坡国立大学汪磊教授，哈尔滨理工大学刘欣教授合作，针对PEM电解槽严重依赖铂基催化剂、成本效益低、难以规模化应用的关键挑战，通过火焰辅助法快速批量合成了一种磷化钌包裹氧化钌的核壳结构材料，其应用于实际的质子交换膜电解槽 (2 × 100 cm⁻²) 时，能够在低槽压 (1.8 V) 下维持200 A的高电流输出，并保持超过1500小时稳定性。相关成果以“Scalable ruthenium core–shell hydrogen catalyst for efficient and robust proton-exchange membrane electrolyser”为题，发表在《Nature Materials》上。我校2022级博士生李金泽为论文的共同第一作者，我校为第一完成单位。

图为催化剂的 (a) 制备路线，(b)球差电镜图，(c)电化学性能测试，(d)界面水分子取向分布，(e) 在100 cm²级PEM电解槽中的极化曲线及 (f) 稳定性测试。

与传统碱性电解水相比，质子交换膜电解水 (PEMWE) 具有更高的功率密度与更紧凑的结构，因此更适合与间歇性的可再生能源耦合，实现经济高效的绿色制氢。然而，PEM电解槽在实现高功率密度和工业级寿命方面高度依赖Pt、Ir等贵金属电催化剂。Ru基材料的成本仅为Pt的约 4%，其表现出与Pt可比的 H₂O 吸附能，但却因在空气中易被快速氧化而导致其在酸性介质中的本征稳定性受限。

基于此，合作团队提出了一种简便且高效的火焰辅助法，成功制备了Ru基核壳结构催化剂，即以二磷化钌 (RuP₂) 薄壳包覆氧化钌 (RuO₂) 核，并负载在 Ketjenblack (KB) 上（记作 KB@RuP-800）。系统的动力学分析结合第一性原理计算表明，独特的薄壳 RuP₂–壳/RuO₂–核结构以及两相之间显著的电子耦合，可通过调控界面水结构显著提升HER的本征活性。得益于此，优化后的KB@RuP-800在酸性介质中以仅16 mV（相对于 RHE）即可达到10 mA cm⁻²，其性能与 20% Pt/C (11 mV) 相当。得益于其优异的质子传导性能显著改善了实际运行条件下的电荷传输，采用KB@RuP-800制备的膜电极在实际PEM电解槽中，仅需1.79 V即可实现1 A cm⁻²的电流密度，性能优于商业Pt/C。凭借其简单的合成过程和温和的制备条件，该浆料前驱体可在常温下通过胶体磨实现批量生产，可连续制备数十克催化剂。值得注意的是，规模化的催化剂在2 × 100 cm²的PEM堆中，在200 A、1.8 V条件下稳定运行超过1,500小时。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02405-5

科研团队简介：

邵明飞，北京化工大学，教授，博士生导师。研究方向为电化学反应耦合与过程强化，包括耦合反应与关键材料、新型反应器与系统集成等。在段雪院士的指导下，相关工作以第一或通讯（含共同通讯）作者在Nat. Mater.、Nat. Catal.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Matter、CCS Chem.、AIChE J.等发表论文120余篇。先后主持国家自然科学基金（包括优秀青年科学基金(2019)、重大项目课题、专项项目、石油化工联合基金培育项目）、国家重点研发计划课题、中石油、中石化等企业委托项目。于2021年获“中国催化新秀奖”，入选全球前2%顶尖科学家榜单的“终身科学影响力榜单”和“年度影响力榜单” 和科睿唯安“全球高被引科学家”名单。建成了首台套20千瓦电解水制氢耦合氧化装置，围绕千瓦级电解水制氢耦合氧化技术以第一完成人完成了《中国化工学会》成果鉴定和《中国石油和化学工业联合会》成果评价各1项。

第一作者：李金泽，北京化工大学2022级博士研究生（导师：邵明飞教授），本硕博均就读于北京化工大学。主要研究方向为绿氢提效降本，以第一（共同）作者在Nat. Mater.、Matter.、Chem. Eng. Sci.、Chem Catal.、Small Methods发表/接收论文5篇，专著章节1篇，高被引论文2篇，合作论文5篇，申请发明专利2件，累计影响因子>80。曾获“本硕博创新论坛”口头报告二等奖、亚太催化大会最佳墙报奖。曾任化学学院文艺部部长，荣获“北京化工大学十佳歌手”荣誉称号。

责编：王雨晴  梁燕亮