引领变革,“氢”注未来—我院团队在氢电能源转换关键材料领域取得系列成果！

(通讯员：尹燕)近日，我院Michael Guiver、尹燕、张俊锋团队围绕离子交换膜、电极界面与催化剂工程等核心环节，提出了一系列创新性的材料设计理念和工程策略，有效提升了氢能器件的性能与效率，延长了运行寿命，相关研究近日发表于《Joule》、《Angewandte Chemie International Edition》等国际权威期刊，作为天津大学先进内燃动力全国重点实验室和国家储能技术产教融合创新平台的重要组成部分，研究室始终致力于氢-电能源转换技术的材料研发与应用探索，聚焦于新型、清洁和高效的新能源转化技术，为实现“双碳”目标和推动绿色能源发展贡献科技力量。

在离子交换膜领域，团队在《Joule》期刊上发表了题为“Ion-exchange membranes based on framework materials for hydrogen‒electrical energy interconversion”的综述论文（DOI: 10.1016/j.joule.2025.102215）。该综述系统总结了近年来多孔有机框架材料（COFs、MOFs、HOFs等）在离子交换膜中的研究进展。传统聚合物基离子交换膜在实际应用中面临诸多挑战，如化学和机械降解、对水分/温度波动的敏感性以及制造成本过高等问题。而多孔有机框架材料因其可定制的结构、丰富的孔道设计和优异的尺寸稳定性，为调控离子传输行为、提升膜性能提供了新的解决方案。值得注意的是，2025年诺贝尔化学奖正是授予了金属有机框架（MOF）材料的开创性研究，与本综述中探讨的多孔有机框架材料的设计理念一脉相承。通过深入分析材料合成、性质、性能及面临的挑战，该团队为未来离子交换膜的研究方向和研发策略提供了重要参考。

在析氧反应（OER）催化剂研究方面，团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Stretching metal-oxygen bonds to decouple activity and stability of water electrolysis”的封面论文（DOI: doi.org/10.1002/adfm.202516185）。该研究突破了传统思路中追求高价金属物种的思路，创新性地采用“稳定低价金属+拉伸金属-氧键”的双重策略，成功解决了催化剂活性与稳定性难以兼顾的问题。通过将镍、铁等非贵金属稳定在较低价态，并拉伸金属-氧键长，团队有效激活了晶格氧的反应活性，同时显著提升了结构稳定性。实验结果表明，自主开发的NiFe-LP催化剂在10 mA cm^-2电流密度下的过电位仅为219 mV，并在5 A cm^-2的高电流密度下稳定运行超过1000小时。这一成果为开发高效、稳定的水电解制氢催化剂提供了全新的设计思路，对推动绿色氢能技术的发展具有重要意义。此外，团队在《Small》期刊上发表了题为“NiMoO@CoFe-LDH anode design to improve oxygen bubble transport in dynamic water electrolysis”的研究论文（doi/10.1002/smll.202508103），该工作通过水热反应合成的Co-Fe双金属羟基氧化物的（M-OOH键红移35 cm^-1）使OER决速步骤能垒降低0.28 eV，质量活性相较传统RuO₂ 高出5倍以上，达到63.36 mA/mg（300 mV过电位），体现出显著的协同催化效应。通过高速摄像技术首次揭示了气泡演化-电极腐蚀动态耦合机制，为开发适应风光电波动特性的高效电解槽阳极提供了全新解决方案。该团队在析氢反应（HER）催化剂方面也取得了重要突破。在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，研究者发表了题为“Modulating built-in electric field strength in Ru/RuO₂ interfaces through Ni doping to enhance hydrogen conversion at ampere-level current”的研究论文（DOI: doi.org/10.1002/anie.202421869 ）。该研究采用密度泛函理论（DFT）计算，结合实验验证，开发了一种Ni掺杂的RuO₂催化剂（Ni-RuO₂），通过调控其与Ru的界面内建电场（BIEF）效应，优化了界面电子结构和H吸附吉布斯自由能，从而显著提升了HER性能。在1 A cm^-2的电流密度下，该催化剂的过电位仅为134 mV，并在60 °C下稳定运行超过1000小时。该研究通过杂原子掺杂精确构建和调节界面BIEF，为设计高效的安培级电流密度碱性HER电催化剂提供了有效的策略。针对阴离子交换膜水电解（AEMWE）技术中“干阴极”模式下的水管理难题，团队在《Materials Horizons》期刊上发表了题为“Microphase water control utilizing highly hydrophilic anion-exchange ionomers”的研究论文（DOI: 10.1039/d5mh01791b），提出了一种名为Pip(BPF-BPN)/Trip-x的新型三维高亲水离聚物材料。该材料通过引入立体刚性骨架和酚羟基侧链，构建了丰富的自由体积和氢键网络，从而显著提升了亲水性和结构稳定性。实验结果表明，这种离聚物在AEMWE中展现出超越商业材料的性能，为下一代绿色制氢技术提供了新的路径。

图1 成果概览

氢电转换能源材料研究室依托于天津大学机械工程学院、先进内燃动力全国重点实验室和天津大学-国家储能技术产教融合创新平台，以新型、清洁和高效的新能源转化技术为主攻方向，主要开展聚合物电解质燃料电池和电解水技术的研究，涉及聚合物电解质膜的合成、电化学催化剂的制备、膜电极构效关系研究以及燃料电池/电解池的水热管理等，是一个化学、化工、材料和机械等多学科交叉的科研平台。课题组欢迎对燃料电池、电解池的关键材料（膜/催化剂）、膜电极感兴趣的研究生、博士后加入，专业面向材料、化学、电化学、工程热物理等方向，有意者请联系：geosign@tju.edu.cn（张老师）。