原创 DeepTech深科技 2025-05-05 15:32 河南
石油以及天然气化石能源属于地球上的资源储备，其储量比较有限。为了人类更长远的未来，我们必须寻找可持续的能源。
“多谢大家的坚持，在经费短缺、前途不明的极端恶劣情况下，吃着我画的大饼硬是撑到了现在。不知道工业界原来这么好玩。”谈及自筹经费发在 Science 的论文，四川大学教授康毅进告诉 DeepTech。
研究中，他和团队造出一种钽掺杂氧化钌催化剂，目前已实现工业级量产，实测寿命近 3000 小时。
图 | 康毅进同时也是一名飞行员（来源：康毅进）
康毅进表示，石油以及天然气化石能源属于地球上的资源储备，其储量比较有限。为了人类更长远的未来，我们必须寻找可持续的能源。
长期来看，太阳能是我们的最可靠选择（风能也是太阳能的另外一种形式），而太阳能的时间和地域分布要求有一个能源载体来实现随时随地的能源需求。
水氢循环由于其无碳排放的闭合循环好处多多，加上大自然的启示（太阳就是一个大氢弹、水是生命之源），人们发现氢是一个近乎完美的能源载体。
“十四五”、《氢能产业发展中长期规划》、“双碳”目标等文件的发布，体现了国家大力发展清洁能源体系的国家意志，其中氢能体系为主要建设目标之一。各大国企、央企集中上马氢能项目，据不完全统计有三分之一的国企央企参与了氢能相关项目。
我国是一个氢气需求大国，目前年需求为 3000 多万吨，至 2060 年我国氢气年需求量预计将增至 1.3 亿吨左右，若以现有以化石能源为主的氢能供给结构测算，需排放 12-18 亿吨二氧化碳，违背氢能发展初衷。这就意味着未来的氢气供给，必然是基于电解水制氢的绿氢。
目前绿氢制备主要有三大技术：碱水体系、质子膜、阴离子膜电解水。其中碱水体系效率低下且有安全隐患，最重要的是其小时级的启停时间与太阳能、风能等匹配不佳；而阴离子膜技术受膜寿命影响，预计成熟期在十到二十年之外。
因此人们开始关注能量效率高、因秒级响应完美匹配可再生能源的质子膜电解水技术。然而，质子膜电解水在目前市场份额不到 10% 的尴尬境地主要由其阳极催化剂造成。
一方面，落后的催化剂技术导致质子膜电解水技术完全没有体现出其对于碱水系统该有的优势。另一方面，目前的工业阳极催化剂全部基于金属铱，而铱的极端稀缺性，即年产不过 7-12 吨，哪怕全部用于装备电解水也不过 GW 量级，导致了供应链不可承受的极端压力。
几年前，康毅进团队成立了天芮科技有限公司，并与东方电气集团开展合作，旨在开发高效低铱和终极的非铱阳极催化剂，用以制造高效质子膜电解水系统。
氧化钌，作为氧化铱催化剂最有希望的替代品，受到了学术界和工业界的广泛关注。然而，其稳定性对比铱相差了至少两个数量级，其仅数小时的寿命远不足以工业应用。
康毅进表示：“科学层面上对于氧化钌稳定性理解的缺乏，导致无法设计实用的稳定催化剂。而学术界和工业界的日渐脱节，也造成了学术界对于工业应用的曲解，科学家们观测到的‘稳定性’其实来源于其他原因。”
基于上述原因出发，他和团队以高度可控的表面模型来研究氧化钌催化剂的失效原理。他们发现氧化钌在电解水过程中会形成新的物相从而造成表面重构，而新的物相可能是可溶的高价钌物种。
在电解水过程中，氧化钌催化剂表面由于该机理而迅速溶解，虽然短期造成了高比表面积从而暂时提高了活性，但是长期来看催化剂溶解造成了电极结构崩塌从而导致失效。
经过筛选，他们发现添加金属钽可以有效抑制该可溶性新物相的形成。美国加州理工的William A. Goddard III 教授团队使用理论计算模型，帮助他们理解了其中可能的原因。
简单来说，金属钽使得材料缺陷位（一般往往是最不稳定的位置）上的钌更难形成高价态可溶物。基于该理论指导，他们制造出了工业级可量产的钽掺杂氧化钌催化剂，并通过了初步的工业级测试。
尽管近 3000 小时的实测寿命离实际工业应用期待的万小时寿命差距还是很大，但是基于实践上但凡能活过 500 小时的工业催化剂都大概率可以走到最后，他们对于该氧化钌催化剂最终可用于装备质子膜电解水系统持非常乐观的态度。
如前所述，铱催化剂几乎不可能是质子膜电解水阳极催化剂的终极选项。质子膜电解水技术占领市场，必然基于非铱催化剂之上。所以他们期待本次氧化钌催化剂能够成为电解水制氢市场的 Game Changer。
此外，由于其高稳定性和相比铱显著低廉的原料价格，氧化钌催化剂在尺寸稳定阳极市场上也许会有一席之地。
康毅进表示，天芮科技的定位就是一个以氢能为目、以催化技术为核心的科技公司，旨在开发质子膜电解水技术、阴离子膜电解水技术和高温电解水技术。
由于阴离子膜电解水技术和高温堆技术离市场化还较远，所以他们将短期目标定为开发质子膜电解水用催化剂。
在测试众多候选催化剂不可用之后，他们迅速发现 Pourbaix Diagram 其实早就已经帮他们做了初筛。
康毅进表示：“‘命中注定’那些组分其实都是不可能的。金属钽也是这么被选出来的。但早期测试发现掺钽有时有用、有时没用，结合文献也得不出什么有用结论，总不能简单归结为‘合成的艺术’吧。”
于是，他们萌生了使用模型材料从头研究氧化钌溶解机理的想法。“很幸运我们找到了 Goddard 教授，在中美对抗大潮中，也只有这么大咖的元老级教授才敢跟我们合作。”康毅进表示。
然后，他们从基础模型研究得出的结论，借此得以进一步优化他们的纳米颗粒催化剂，从而实现工业级别的应用。
日前，相关论文以《用于工业水电解的钽稳定化氧化钌电催化剂》（Tantalum-stabilized ruthenium oxide electrocatalysts for industrial water electrolysis）为题发在 Science[1]。
四川大学博士生张佳豪、新加坡国立大学助理教授付先彪和美国加州理工学院科学研究员权旼赫（Soonho Kwon）博士是共同一作，四川大学康毅进教授和美国加州理工学院 William A. Goddard III 教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science）
康毅进说道：“目前我们公司已经资本到位，工业界大佬保驾护航，加上南通市开发区、创新区政府的大力支持和复旦校友们的帮助，一切终于进入正轨，大家多年的努力终于有了那么点见到回报的可能。”
后续，他们努力将质子膜电解水技术发扬光大，将电解水制绿氢成本降至灰氢水平。同时，在科学层面上他们也会进一步理解氧化钌，并积极寻找更廉价的选择。
参考资料：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado9938
2.tianrui-tech.com
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