一项技术已经开发出来，可以解决当前催化剂电极的局限性，从而可以大规模且相对低成本地生产绿色氢气。这一进展发表在《美国化学学会杂志》上。

利用坚固的碳纤维织物电催化剂增强绿色氢气生产

该团队由UNIST材料科学与工程系的Han Gi Chae教授和能源与化学工程学院的Jong-Beom Baek教授领导，并与阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的Kafer T. Tavuz教授合作，采用传统的碳纤维/织物制造工艺，开发出嵌入高功能催化剂的碳纤维织物电催化剂。

这种创新设计利用碳纤维催化剂，而不是容易脱落的粉末型催化剂，可在大面积范围内稳定运行。值得注意的是，这种先进的电极的使用寿命是传统电极的 100 倍，同时通过使用钌代替更昂贵的铂来保持最佳性能，从而大大降低了制造成本。

传统上，电化学电极是通过将碳粉等粉末催化剂喷涂到电极上进行固定来制造的。然而，这种方法带来了与不均匀应用相关的挑战，导致粉末结块或脱落等问题。相反，碳纤维基电化学电极因其高热导率和电导率特性以及在大面积上使用的便利性而受到关注。

更进一步，研究团队在制造过程中将钌 (Ru) 整合到聚合物前体纤维中，从而提高了催化剂的稳定性。通过利用聚丙烯腈 (PAN) 作为前体聚合物，该团队能够以稳定的方式有效表达催化剂的特性。此外，钌被选择性地固定在表面作为化学催化剂，代替铂。

他们的钌表面嵌入织物电催化剂 (Ru-SFEC) 在电流密度为 10 mA cm –2时表现出 11.9 mV 的低过电压，表明氢气生成过程中的能耗很低。即使在 10,000 次操作后，开发的电极也显示出 6.5% 的可忽略不计的过电压增加，这比商业化的铂粉末催化剂有了显着的改进。

与依赖昂贵的铂基催化剂的传统电极相比，这种附有功能催化剂的新型碳纤维电极具有显著的成本优势。通过利用钌代替铂，并在制造过程的早期将其加入聚合物前体纤维中，该团队能够在电流密度为 10 mA cm –2时制造出过电位低至 11.9 mV 的 Ru-SFEC ，展现出卓越的稳定性和效率。

该团队的创新方法充分利用了碳纤维卓越的机械和电气性能，展示了其作为未来电化学反应多功能材料的潜力。通过精细控制催化剂金属分离和微碳结构，研究人员实现了最大的稳定性和活性，从而实现了催化剂纤维的连续生产，可直接用于工业应用。

Chae 教授表示：“这项研究为开发稳定、无粘合剂且灵活的电催化电极奠定了基础。此外，该技术还具有与不同金属进行其他催化反应的潜力。未来的研究应侧重于提高机械耐久性、电导率和成本效益。”

该电极不仅提供节能的制造工艺，而且还能减少废物的产生。研究团队通过碳纤维行业使用的商业制造工艺成功验证了他们的发现。

本研究在半试生产线上实现了催化剂负载碳纤维的连续生产，代表了适合实际应用的技术成熟度。“本研究的柔性纤维形状因素有利于立即应用于电化学、热化学或光催化剂，”该研究的共同第一作者、KAUST 研究教授 Seok-Jin Kim 指出。