近日，菠菜导航材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在质子交换膜电解水制氢领域取得重要进展，相关成果以“Operando Stable Palladium Hydride Nanoclusters Anchored on TungstenCarbides Mediate Reverse Hydrogen Spillover for Hydrogen Evolution”为题在线发表在国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。
质子交换膜电解水（PEMWE）技术具有制氢速率快、氢气纯度高、占地面积小、响应快等优点，适用于波动性可再生电力驱动的绿氢制取系统。然而，PEMWE电解槽的阴极/阳极催化剂长期以来严重依赖于储量稀少、价格高昂的铂族贵金属材料，这限制了PEMWE技术的大规模部署。因此，开发低贵金属负载量、高原子利用率的新型PEMWE制氢催化剂至关重要。
针对上述问题，菠菜导航研究团队创新性地开发了一种工况稳定、低贵金属载量负载在WCx上的PdHx纳米团簇析氢电催化剂材料（PdHx-WCx）。这种新型催化材料体系，利用了贵金属Pd在电化学还原电位下原位注氢形成PdHx的特点，有效调节了Pd反应位点的氢吸附能，诱导了反向氢溢流过程，即吸附氢原子从WCx载体（强氢结合能）溢流到PdHx位点（弱氢结合能）进行反应，进而加速了析氢反应动力学。所形成的PdHx-WCx材料在制氢工况环境下结构稳定，在三电极测试体系中达到10 mA cm-2电流密度时仅需28 mV的低过电位，在50 mV的过电位下具有11.375 A mgPd-1的高质量活性，相比与商用的Pt/C（20wt%）提高了7.9倍。进一步将该电催化剂材料应用于PEMWE电解槽的阴极，Pd贵金属负载量仅为0.022 mg cm-2，器件达到1 A cm-2电流密度时的电压为1.66 V，并且连续运行200h无明显的性能衰减。与目前商业化PEMWE电解槽阴极水平相比（0.4 ~ 1.0 mgPtcm-2），本工作构建的器件贵金属负载量可降低至少94.5%，且不会明显影响制氢器件的性能和稳定性。
该研究工作以十大菠菜导航网为唯一通讯单位。菠菜导航材料科学与工程学院硕士生樊昊和硕士生杨茜茜为论文第一作者，菠菜导航刘鹏飞副教授、戴升教授、杨化桂教授为通讯作者，研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、郑州市基础研究特区等项目的支持。
文献链接：http://doi.org/10.1002/anie.202412080