“鉬”定未來(lái)：中國(guó)科學(xué)家突破電解水制氧瓶頸，打造全球最低能耗催化劑

導(dǎo)語(yǔ)

當(dāng)全球綠氫產(chǎn)業(yè)因高昂的電解能耗陷入僵局時(shí)，西安交通大學(xué)管相玖團(tuán)隊(duì)在《能源前沿》發(fā)表顛覆性成果：通過(guò)**鉬摻雜鎳鐵氫氧化物（Mo-NiFeOOH）**技術(shù)，將氧析出反應(yīng)（OER）的過(guò)電位降至205毫伏，打破商用釕基催化劑紀(jì)錄。這項(xiàng)研究不僅破解了電解水制氧的效率魔咒，更讓電解槽連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行170小時(shí)成為可能，為綠氫成本降至1美元/公斤鋪平道路。

電解水困局：為何制氧比制氫難百倍？

電解水制氫的核心挑戰(zhàn)在于陽(yáng)極的氧析出反應(yīng)（OER）——這是一個(gè)涉及四電子轉(zhuǎn)移的復(fù)雜過(guò)程，動(dòng)力學(xué)緩慢且能耗極高。傳統(tǒng)鎳鐵氫氧化物（NiFeOOH）催化劑雖成本低廉，但其過(guò)電位高達(dá)300毫伏以上，導(dǎo)致電解槽能耗的70%浪費(fèi)在制氧環(huán)節(jié)。更嚴(yán)峻的是，商用釕（Ru）、銥（Ir）基催化劑雖效率高，但價(jià)格是鎳的500倍，且在高堿環(huán)境中易腐蝕失效。

“這如同讓卡車?yán)浵仭磻?yīng)通道狹窄，能量浪費(fèi)驚人?！闭撐耐ㄓ嵶髡吖芟嗑两淌谛蜗蟊扔鞯?。

鉬的魔法：在原子尺度重構(gòu)能量通道

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)一步水熱法，在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)出鉬摻雜的三元金屬納米片（Mo-NiFeOOH），實(shí)現(xiàn)三大突破：

電子高速公路：鉬（Mo??）作為“電子中轉(zhuǎn)站”，通過(guò)氧橋?qū)㈡嚕∟i3?）和鐵（Fe3?）的電子定向引流，使電荷轉(zhuǎn)移速率提升3倍。X射線光電子能譜（XPS）顯示，Ni 2p和Fe 2p的結(jié)合能分別發(fā)生0.4 eV和0.28 eV的正移，證實(shí)電子云密度重新分布。

晶格擴(kuò)容：摻雜后的γ-NiFeOOH活性相層間距擴(kuò)大至7?，可容納更多OH?離子嵌入。原位拉曼光譜顯示，該結(jié)構(gòu)在0.3 V電位下即完成相變，比傳統(tǒng)材料提前100毫伏。

抗腐蝕盔甲：鉬的強(qiáng)氧親和力在催化劑表面形成穩(wěn)定氧化層，連續(xù)運(yùn)行170小時(shí)后，活性僅衰減2%，遠(yuǎn)超商用釕基催化劑的50小時(shí)壽命。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該催化劑在10 mA/cm2電流密度下的過(guò)電位僅205 mV，塔菲爾斜率低至31.7 mV/dec，單位活性位點(diǎn)的周轉(zhuǎn)頻率（TOF）達(dá)到0.2 s?1，是未摻雜材料的5倍。

微觀戰(zhàn)場(chǎng)：四兩撥千斤的電子博弈

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)密度泛函理論（DFT）揭開(kāi)了性能飛躍的量子秘密：

d帶中心位移：鉬摻雜使鎳、鐵的d帶中心向費(fèi)米能級(jí)靠近0.14 eV，優(yōu)化了氧中間體（*OOH）的吸附能，將速率控制步驟的能壘從1.27 eV降至1.12 eV。

晶格氧機(jī)制：不同于傳統(tǒng)的吸附演化機(jī)制（AEM），鉬摻雜激活了晶格氧參與反應(yīng)的新路徑（LOM）。OH?離子直接攻擊晶格氧生成*OOH，繞過(guò)緩慢的質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移步驟。

自修復(fù)特性：反應(yīng)中形成的氧空穴可被溶液中的OH?快速填充，實(shí)現(xiàn)催化位點(diǎn)的動(dòng)態(tài)再生，這是穩(wěn)定性突破的關(guān)鍵。

“這相當(dāng)于在分子層面修建了一條氧原子專用高速路。”論文第一作者屈景闊博士解釋道。

產(chǎn)業(yè)突圍：綠氫成本腰斬的曙光

該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化路徑已清晰：

成本革命：鉬的摻雜量?jī)H占催化劑質(zhì)量的1.2%，規(guī)?；a(chǎn)成本預(yù)計(jì)比釕基材料降低90%。西安某中試基地測(cè)算，搭載該催化劑的電解槽能耗可降至4.0 kWh/Nm3，較當(dāng)前行業(yè)均值（4.8 kWh）下降17%。

設(shè)備升級(jí)：泡沫鎳基底的三維納米片結(jié)構(gòu)使電極比表面積提升5倍，同等產(chǎn)能下電解槽體積可縮小40%，特別適合海上風(fēng)電配套的集裝箱式制氫裝置。應(yīng)用拓展：團(tuán)隊(duì)正開(kāi)發(fā)柔性電極版本，計(jì)劃用于航天器生命維持系統(tǒng)的微型制氧模塊，目前已通過(guò)模擬失重環(huán)境下的1000小時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試。

據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，若該技術(shù)全球推廣，2030年綠氫生產(chǎn)成本有望從目前的3-5美元/公斤降至1.2美元，加速鋼鐵、化工等重碳行業(yè)的脫碳進(jìn)程。

結(jié)語(yǔ)：在量子世界，改寫能源規(guī)則

從實(shí)驗(yàn)室的原子操縱到工業(yè)界的綠氫浪潮，這項(xiàng)研究印證了一個(gè)真理：能源革命的勝負(fù)手，往往藏在納米尺度的電子云舞蹈中。正如管相玖教授所言：“鉬的摻雜不是簡(jiǎn)單的元素疊加，而是一場(chǎng)精密的電子再分配革命。當(dāng)我們能像指揮交響樂(lè)一樣調(diào)控電子軌道時(shí)，零碳未來(lái)便觸手可及。”

此刻，西安的試驗(yàn)車間里，鉬摻雜電極正以每秒萬(wàn)億次的電子躍遷，書寫著綠氫時(shí)代的新劇本。這場(chǎng)靜默的量子革命，或許正在重塑人類文明的能源基因。