压电效应在环境与能源催化领域的实际应用过程中，高效反应装置的缺乏和催化剂在放大过程中的失活现象是阻碍其工程化进度的关键难题。近日，我校化学与分子工程学院邢明阳教授团队和资源与环境工程学院付鹏波副教授团队展开合作研究，在规模化压电海水制氢方面取得重要研究进展。相关成果以“Hydroenergy Inspiring Large-Scale Piezoelectric Catalysis for Seawater Hydrogen Evolution”为题，发表在《德国应用化学》上。
邢明阳教授团队与付鹏波副教授团队在前期废水产氢相关研究（PNAS, 2023, 120, e2218813120）的合作基础上，通过批量合成MoS2压电催化剂，并引入商品化微米铁粉（μm-Fe0）作为无机助催化剂以及过硫酸钾（PDS）作为热力学助剂，成功构建了拓展型高级氧化耦合压电催化体系（batch-MS/μm-Fe0/PDS），并将该体系应用于压电催化海水制氢资源化过程。之后，研究团队进一步将水力旋流器与该催化体系结合，率先构建了水力旋流激发的规模化（20 L）压电催化海水制氢系统，该系统达到了0.73 L/h的产氢速率。此外，该研究还报道了规模化压电催化过程中的宏观能量利用率：该体系中水的机械能转换成氢能的效率达到了36.82%，电能转化为氢能的效率为传统超声波清洗机的140倍以上。此外，研究团队依据压降数值，计算出水力旋流器生产1 Nm³ H₂的理论能耗仅为5.78 kWh，这一数值与工业电解水制氢技术的能耗（约5 kWh）十分相近，证实了该技术在实际应用层面的可行性与。在对催化体系进行从50 mL到20 L的规模化放大实验过程中，该体系成功保持了80%以上的催化活性，率先实现了水力激发的规模化压电海水制氢，为推进压电催化的工程化应用提供了重要参考。值得一提的是，目前在实验室条件下被广泛采用的超声机压电催化反应系统存在能耗高、长时间反应过热、功率衰减快、无法等比例放大等缺点，相比之下，能耗更低的中小型旋流器有望取代超声机成为实验室以及未来产业化首选的压电催化产氢装备。
该论文以华东理工大学为第一通讯单位，化学学院博士研究生刘文元同学为第一作者，化学学院邢明阳教授和资环学院付鹏波副教授为共同通讯作者。相关研究工作得到了欧洲科学院院士张金龙教授和中国工程院院士汪华林教授的悉心指导，并得到了费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金杰出青年基金等项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202504749.