天津大学梁红艳教授课题组近年来工作概览

摘要：梁红艳，天津大学教授，博士生导师，国家级青年人才。主要从事电解水制氢（碱性水解ALK、中性海水电解、酸性水解PEM）及CO2资源化利用（CO2电还原耦合生物质转化）的研究。梁红艳教授主持国家、部省及横向课题4项，其中国家自然科学基金项目2项。在Nat. Com

梁红艳教授简介

梁红艳，天津大学教授，博士生导师，国家级青年人才。主要从事电解水制氢（碱性水解ALK、中性海水电解、酸性水解PEM）及CO2资源化利用（CO2电还原耦合生物质转化）的研究。梁红艳教授主持国家、部省及横向课题4项，其中国家自然科学基金项目2项。在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater. 等杂志上发表SCI论文60余篇，h指数为32（Web of Science数据）。作为核心成员承担或参与中组部、国家自然科学基金委、天津大学、加拿大自然科学基金、魁北克自然科学基金等10余个科研项目；应邀担任中国材料研究学会凝固科学与技术分会青年理事、《SmartMat》、《金属学报》、《IJMMM》等期刊青年编委。

本文选取梁红艳教授课题组近五年来在催化领域的相关文章来介绍梁红艳教授的主要研究工作。

一、电解水制氢

1. 酸性电解水制氢

作为当前最具前景的绿氢制备技术，质子交换膜电解水（PEMWE）系统在强酸性工况下的高效稳定运行高度依赖析氧反应（OER）催化剂。该课题组针对该技术产业化面临的瓶颈问题展开攻关：当前商用的铱基催化剂（IrOx）受限于贵金属铱的稀缺和价格波动，其催化活性与耐久性也难以满足规模化绿氢生产需求。该课题组通过构建新型催化剂体系，为降低电解槽制造成本、提升能源转化效率提供了创新解决方案。

该课题组基于PEMWE技术对高效析氧催化剂的迫切需求，通过原子尺度材料设计，成功开发出具有高活性、高稳定性的高铱纳米颗粒催化剂体系。该催化剂在标准测试条件下展现出卓越性能：在PEMWE应用中，10 mA cm-2电流密度下的过电位（η10）仅为285 mV，经10000圈循环伏安（CV）加速衰减测试后活性损失率控制在10.5%以内，显著优于商业IrO2催化剂。PEM析氧性能达到铱催化剂质量活性 ≥ 162 A gIr-1@1.45 Vcell@60 ℃，不同批次催化剂的质量活性偏差 ≤ ±10 A gIr-1，验证了制备工艺的稳定性和可重复性。基于Nafion 115质子交换膜构筑的膜电极（Ir载量＜1 mg cm-2），在80 ℃工况下实现2 A cm-2电流密度时电解电压 ≤ 1.81 V。工业化装槽测试表明，系统在500小时连续运行期间平均小室电压衰减速率 ≤ 4.2 μV h-1，显著突破了现有铱基催化剂的耐久性瓶颈。

图1. 该课题组研发的Ir基PEMWE催化剂性能汇总。

针对贵金属依赖性与稳定性难题，该课题组创新性地提出原子级界面调控策略与元素协同策略，成功构筑高效低铱催化剂体系，显著提升贵金属利用率。其中，负载型低铱催化剂η10过电位仅为264 mV，经10000圈CV加速衰减测试后活性衰减＜5%，更在PEMWE系统中展现出突破性性能：膜电极Ir载量＜0.2 mgIr cm-2，可在1.68 V工作电压下实现2 A cm-2的超高电流密度。多元低铱催化剂性能实现：在10 mA cm-2电流密度下的过电位仅为220 mV，经10000圈CV加速衰减测试后活性衰减＜18%，并在80 ℃工况下实现膜电极测试电解电压 ≤ 1.87 V@2 A cm-2。该技术有效降低贵金属依赖性，为电解槽大规模商业化提供了关键技术支撑。

此外，针对质子交换膜电解槽中非贵金属催化剂稳定性不足的核心技术壁垒，该课题组通过构建Ba掺杂Co3O4新型催化体系，创新性地突破传统四电子-质子协同吸附演化机理（AEM）的动力学限制。钡离子的晶格掺杂引发Co-Co键长收缩，触发非质子-电子协同作用的O-O偶联新路径（OPM）。这种独特的反应机制使得OER的决速步活化能降低。优化后的催化获得10 mA/cm2的电流密度仅需278 mV的过电位，寿命长达110小时（J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 7829）。

图2. 对比有无Ba掺杂催化剂的表面稳定性和OER反应能量。

2. 中性电解水制氢

中性海水直接电解制氢作为极具潜力的绿氢制备途径，其产业化进程受限于析氧/析氯反应（OER/CER）的阳极竞争机制，存在电流密度受限、运行稳定性差等核心瓶颈。探索能够使OER超电位低于次氯酸盐形成超电位（~490 mV）的催化剂对于抑制氯化物析出和促进海水分解至关重要。

该课题组创新性提出强质子吸附（SPA）策略，成功构筑钯掺杂钴氧化物（Co3-xPdxO4）新型催化剂。该材料在模拟海水电解中展现出突破性性能：OER过电位η10=370 mV，较纯Co3O4基准催化剂降低70 mV。在工业级电流密度下实现持续运行450 h@200 mA cm-2和20 h@1 A cm-2。实验研究和理论计算表明，SPA阳离子的引入加快了中性OER途径中决定性水解离步骤的速率。该工作为开发非贵金属海水电解系统提供了理论新框架（Adv. Mater., 2023, 35, 2210057）。

图3. 中性海水氧化反应中的质子吸附促进策略。

3. 碱性电解水制氢

针对碱性OER反应中四电子转移动力学迟缓的瓶颈问题，该课题组创新性提出Jahn-Teller晶格畸变调控策略，成功构建Mn3+掺杂Co4N催化剂体系。通过原位同步辐射和X射线光电子能谱追踪，揭示催化剂经历Co4N → Co3O4 → CoOOH → CoO2的三阶段动态重构过程，其中J-T活性Mn3+（t32ge1g）的引入降低了终态CoO2生成能垒。这种定向重构触发晶格氧氧化机制（LOM），成功规避传统吸附演化机制（AEM）的线性约束。该工作建立了J−T效应来调节结构转变的新模型，为设计高效晶格氧催化剂提供了普适性方案（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202405839）。

图4. Jahn−Teller活性掺杂深度氧化Co4N的晶格氧路径示意图。

针对金属硼(氧)化物催化剂工业级电流密度下的耐久性机制尚未明确的科学难题，该课题组报告了一种相组成调控方法，来制造有效的硼化物/硼酸盐基催化剂。活性镍铁硼酸盐催化剂在1 M KOH 电解液中，η10=167 mV。在工业级1 A cm-2电流密度下以η=460 mV的过电位稳定运行400小时。此外，将催化剂与碱性膜电极组件电解槽中的CO还原相结合，实现了在电流密度200 mA/cm2下超过80 h 的稳定C2H4电合成（Nat. Commun., 2021, 12, 6089）。

图5. 活性镍铁硼酸盐催化剂稳定性测试。

二、CO2电催化转化技术

1. 反应机理创新

电催化二氧化碳还原（CO2RR）技术在可再生能源驱动下，为实现碳中和及间歇性电能存储提供了可规模化应用的解决方案。高值C2+产物的定向转化面临C-C偶联路径依赖性强、选择性低的科学挑战。该课题组突破传统CO二聚化理论框架，创新性地通过构建低配位铜活性位点，首次实现了CO2还原过程中OC-COH的新型耦合路径。原位拉曼光谱进一步证实了不完整Cu表面的存在以及低配位Cu对*CO强的吸附能力，原位ATR-SEIRAS观察到中间体*OCCOH中的C=O振动模式，为OC-COH耦合机制提供了直接分子证据。这些发现不仅揭示了低配位铜位点对反应路径的调控作用，更为设计高效C-C偶联催化剂提供了理论依据和材料工程新策略（J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 14005）。

图6. 低配位Cu位点实现CO2RR期间的OC-COH耦合

2. 催化剂工程突破

CO2RR的产物选择性调控是催化剂设计的核心挑战。虽然铜基材料是目前唯一能深度还原CO2生成多碳产物的催化剂，但其热力学稳定的Cu(111)晶面倾向于生成单碳产物，导致C2+产物的选择性和能源效率亟待突破。该课题组创新性开发了磷酸配体辅助的电化学重构策略，实现活性Cu(100)晶面的可控暴露。使得优化后的催化剂在工业级电流密度（>500 mA cm-2）下，对C2+产物的法拉第效率突破83%。在500 mA cm-2连续运行150小时的稳定性测试中，体系维持了37%的全电池能量效率和95%的单程碳转化率，这两项关键指标已达到碱性膜反应器的行业基准要求。此工作为CO2电还原技术的商业化应用提供了具有工程化潜力的材料体系（Nat. Commun., 2024, 15, 1749）。