中科院团队突破电解水制氢催化剂难题，二氧化锰材料实现超长稳定性

中科院团队突破电解水制氢催化剂难题，二氧化锰材料实现超长稳定性

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员肖建平团队与日本理化学研究所研究员李爱龙、教授中村龙平团队合作，在电解水材料设计研究中取得重要进展。他们制备了不同晶格氧结构的γ-二氧化锰（MnO2）材料，不仅获得了安培级电流密度的电解水活性，还在酸性环境中实现了超长电解稳定性。这项研究成果近日发表于《自然-催化》，为清洁能源领域的研发提供了新的方向。

电解水制氢是实现“双碳”目标、维持能源安全和经济可持续发展的重要技术基础。在各种电解水技术中，质子交换膜（PEM）水电解因适合与可再生能源直接耦合而备受关注。然而，PEM水电解的强酸性环境要求阳极催化剂必须具备极高的稳定性。目前的技术依赖于贵金属铱（Ir）作为阳极催化剂，但铱是地球上最稀缺的金属之一，每年全球产量仅6-8吨，其稀缺性严重制约了PEM水电解技术的规模化发展。因此，找到替代氧化铱的催化材料或有效减少铱的使用量成为关键挑战。

研究团队聚焦于二氧化锰（MnO2）这一非贵金属催化剂，通过调控其晶格氧结构来提升其在酸性环境中的稳定性和活性。在γ-MnO2催化剂中，存在着两种不同的晶格氧，即平面配位结构（Opla）和三角锥配位结构（Opyr）的晶格氧。研究团队通过构建不同Opla含量的γ-MnO2模型，研究了γ-MnO2稳定性与Opla含量的关系。

对于γ-MnO2的溶解，团队提出了Opla和Opyr两种不同的溶解机理。通过热力学计算对比两种机理的反应能变，发现Opla和Opyr的羟基化分别是两种机理的限制步骤。进一步的电化学能垒计算表明，Opla的溶解比Opyr更难，说明增加Opla含量可以提高γ-MnO2的稳定性。最后，通过计算不同Opla含量γ-MnO2的溶解速率，研究团队对γ-MnO2的稳定性趋势进行了半定量的解析。

这一突破性研究为高稳定性OER催化剂的设计提供了理论见解。通过调控晶格氧结构，二氧化锰催化剂在酸性环境中的稳定性得到显著提升，有望替代传统的贵金属催化剂。这不仅能够降低电解水制氢的成本，还有助于解决PEM水电解技术的瓶颈问题，推动绿色氢的规模化生产。

中国科学院大连化学物理研究所研究员肖建平表示：“这项研究通过理论计算和实验相结合的方法，揭示了二氧化锰在酸性环境中的稳定性机制，为设计更高效的非贵金属催化剂提供了新的思路。”

日本理化学研究所研究员李爱龙指出：“这一发现不仅解决了电解水制氢领域的一个关键问题，还展示了通过调控材料微观结构来提升催化剂性能的有效途径，具有重要的科学意义和应用价值。”

这一研究成果的发表，标志着我国在电解水材料设计研究领域取得了重要进展，展现了中国科研团队在清洁能源领域的创新能力。随着研究的深入和应用的推广，这一突破有望为实现“双碳”目标、推动能源结构转型做出重要贡献。