以多酸团簇前驱体的设计合成为基础，以电解水制氢的能源催化应用为导向， 制备了系列精 准杂原子掺杂的催化材料，通过结构-性能-应用相互反馈，取得了系列优秀科研成果：

     （1）针对传统电解水制氢电催化材料活性位点难以精准调控的问题，提出了“多酸原子掺杂工程”策略，在多酸团簇中预先共价修饰上具有精准原子种类和数量的杂原子（如氮、磷和过渡金属 原子等），然后将其转化为具有精准杂原子化学掺杂的电解水制氢催化材料，以改善本征催化活性， 实现了精准原子掺杂催化材料的可控合成，获得了优于最先进的铂碳催化材料的析氢反应活性；

     （2）针对工业级大电流下电解水制氢反应传质困难和稳定性差的问题，提出了“多酸表界面工 程”策略，将杂多酸阴离子团簇与阳离子型导电基底进行静电自组装，然后将其转化为具有超亲水 表面、 催化活性成分和导电基底强界面化学键合的电解水制氢催化材料，以强化大电流制氢稳定 性，突破了最先进的铂碳催化材料的大电流制氢稳定性能；

     （3）针对 PEMWE  电堆的阴极析氢和阳极析氧反应受限于大量的贵金属催化材料，工业大电 流下能耗高、催化剂稳定性差的问题，重点围绕“低贵金属载量过渡金属团簇电催化材料的精准构 筑、结构调控及构-效关联”和“低贵金属载量过渡金属团簇电催化材料的在 PEMWE  器件水平和工 业大电流下的反应过程强化机制”两个方向，设计合成贵金属杂多酸分子作为前驱体用于制备低贵 金属载量电催化材料，应用到 PEMWE  制氢器件中，目前已在 1000 mA∙cm-2    的工业级大电流密度 下稳定运行超过 3  个月，远超商业化 50% Pt/C   电催化材料。

       相关研究成果以第一/通讯作者身份发表在 Nat. Commun., Adv. Energy Mater., Adv.  Sci. 和 Coordin. Chem. Rev.等国际知名期刊上。 系列成果报道后获得了国内外同行广泛的关注，被 Chem. Rev. 、 Adv. Mater.、 Energy Environ. Sci.和 Adv. Energy Mater.等期刊多次引用和评价， 其中 ESI TOP 1%高被引论文 3 篇，分别被引 237 、 179 和 173 次。

       二、技术特点及技术指标：

       团队以开发廉价、高效和稳定的电解水制氢电催化材料为导向，通过对多酸团簇前驱体的精准 设计合成出发，提出了“多酸原子掺杂工程”和“多酸表界面工程” 策略，获得了系列高本征催化 活性和高活性位点密度的非贵/低贵金属基纳米电催化材料，构筑了超亲水强化学键合表界面，解决 了水分解制氢动力学差的难题，突破了先进铂碳电催化剂的电催化析氢反应活性，同时实现了超越 先进铂碳电催化剂的大电流析氢反应稳定性，PEMWE  制氢器件中，低铂载量催化剂可在 1000 mA∙cm-2 的工业级大电流密度下稳定运行超过3个月，远超商业化 50% Pt/C 电催化材料

图 1  非贵金属催化剂

图 2 低铂载量催化剂在碱性电解槽中的应用

图 3 低铂载量催化剂在 PEMWE 中的应用

图 4 低铂载量催化剂与商业 Pt/C 催化剂对比

 

 

       三、应用领域：

       团队一直致力于拓展多酸分子团簇在能源催化领域的应用，并围绕电解水制氢催化材料方向存 在的挑战和难点进行深入的研究， 这些开创性的工作不仅有利于推动多酸团簇化学的发展， 还对 可再生能源电解水制氢技术的绿色可持续高质量发展具有重要的研究价值和科学意义。电解水制氢 是一种环保、经济、可持续的制氢方法，可以广泛应用于工业、交通、能源等领域，有助于服务国 家“双碳目标”和氢能发展战略。

       四、投入需求：

       电解水制氢的投资主要包括设备购置费用、厂房建设费用、安装费用和流动资金。其中，设备 购置费用是投资的最大部分，包括电解槽、阳极、阴极、催化剂等。这些设备的价格取决于电解槽 的尺寸和性能指标。根据目前市场价格，每台 1000 Nm3/h 电解槽的价格约为 500 万元人民币。因此，年产 1 万吨电解水制氢所需的电解槽数量约为 20 台，设备购置费用为 500 万元人民币。其次， 厂房建设费用也是投资的重要部分之一。年产 1 万吨电解水制氢需要建设的厂房面积约为 5000 平 方米，包括电解车间、氢气储存罐区、化学品仓库等。这些建筑物的建设成本约为 1.5 亿元人民币。 最后，安装费用和流动资金也是投资不可或缺的部分。根据初步估算，年产 1 万吨电解水制氢需要 投入约 2 亿元人民币用于安装和流动资金。综上根据估算，年产 1 万吨电解水制氢需要投资金额约 为 5 亿元人民币。

       专利授权及申请情况：

       1 、一种多酸衍生原子级掺杂氮化钼电催化剂的制备方法（授权）

       2 、一种多酸衍生低铂载量析氢电催化剂的制备方法（实审）

       3 、一种基于石墨烯条带的低铂载量电催化剂的制备方法（受理）

       成果相关代表 性论文

        1 、Atomically Interfacial Engineering on Molybdenum Nitride Quantum Dots Decorated N-doped Graphene for High-Rate and Stable Alkaline Hydrogen Production. Adv. Sci. (一区)

        2 、Superhydrophilic Molybdenum Phosphide Quantum Dots on Porous Carbon Matrix for Boosting Hydrogen Evolution Reaction. Chem. Engin. J. (一区)

        3 、Porous Cobalt-nickel Phosphides Prepared from Al-doped NiCo-LDH Precursors for Supercapacitor and Electrocatalysis applications. Chem. Engin. J. (一区)

        4 、Coordination Engineering of Defective Cobalt-Nitrogen-Carbon Electrocatalysts    with Graphene Quantum Dots for Boosting Oxygen Reduction Reaction. Small (一区)

        5 、Comprehensive overview of polyoxometalates for electrocatalytic hydrogen evolution reaction. Coord. Chem. Rev. (一区)

        6 、Interfacial Engineering of Atomic Platinum doped Molybdenum Carbide Quantum Dots for High-rate and Stable Hydrogen Evolution Reaction in Proton ExchangeMembrane Water Electrolysis. Nano Res. (一区)

        成果受资助及获奖情况：

        1 、山东省泰山学者人才项目，tsqn202103046 ，山东省泰山学者人才项目， 2021.01 至 2025.12；

        2 、国家自然科学基金面上项目，22171287 ，多酸分子工程及仿生设计策略用于 增强二硫化钼的电催化析氢反应研究，2022.01 至 2025.12；

        3 、 自主创新科研计划项目（理工科）-战略专项，22CX01002A-1 ，高性能质子交 换膜电解水制氢技术与系统，2022.01 至 2024.12；

        4 、 自主创新科研计划项目（理工科），21CX06002A，多酸化学策略制备先进能 源催化材料的研究，2021.01 至 2023.12；

        5 、国家自然科学基金青年项目，21901136 ，多酸的有机修饰及其在制备非贵金 属氮气还原电催化剂的应用研究，2020.01 至 2022.12 .

       技术成熟程度：☑研制开发阶段 

       拟合作方式：  ☑技术许可  ☑合作开发