近日，華東理工大學材料科學與工程學院清潔能源材料與器件團隊在質子交換膜電解水（PEMWE）非貴金屬陽極催化劑研究領域取得新進展。該研究成功開發出一種具有自修復功能的鑭摻雜鈷錳氧化物（LCM）陽極材料，在工業級電流密度下實現了長達1200小時的穩定運行，相關成果在線發表于《能源與環境科學》。
可再生能源驅動的質子交換膜電解水制氫技術是實現綠氫規模化生產、推動能源轉型的關鍵路徑之一。然而，當前PEMWE技術嚴重依賴銥（Ir）等貴金屬作為陽極催化劑，其資源稀缺性和高昂成本極大限制了該技術的大規模應用。開發高性能、高穩定性的非貴金屬陽極材料，成為推動PEMWE商業化應用的核心挑戰。
有鑒于此，研究團隊基于“動態穩定”的設計理念，通過La3+摻雜策略，成功構建了一種具有自修復功能的鈷錳氧化物（LCM）陽極材料。La3+的大離子半徑和穩定氧化態有效增強了陽極材料晶體結構的穩定性，并引入大量氧空位，促進了活性位點（Co物種）在工作電位下的動態溶解-再沉積平衡，從而實現了在嚴苛酸性環境下的長期穩定運行。為深入理解電位對溶解-沉積過程的調控作用，團隊系統比較了2 A cm?2與6 A cm?2電流密度下的金屬離子溶出行為，發現較高電流密度可顯著促進再沉積過程，從而更快實現動態平衡。這一電位依賴的動態自平衡機制，是LCM實現結構“自修復”并維持長期運行穩定的關鍵。最終，該LCM陽極在PEMWE系統中表現出卓越的電催化性能與穩定性：在2 A cm?2電流密度下可持續運行1200小時，在5 A cm?2高電流密度下也能穩定運行200小時，總電荷轉移量達到106 C cm?2，遠超此前報道的非貴金屬陽極材料。通過原位光譜技術和理論計算進一步揭示，La摻雜不僅優化了材料的電子結構，提升了本征催化活性，還通過形成表面非晶羥基氧化物層，有效抑制了金屬離子的持續溶出，實現了“自修復”功能。
該研究創新性地在PEMWE實際運行條件下實現了非貴金屬催化劑的動態平衡機制，為設計下一代高性能、低成本、長壽命的PEMWE陽極材料提供了新思路，對降低制氫成本、推動綠氫產業發展具有重要意義。
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