王现英等在阴离子交换膜电解水催化剂方面取得重要进展

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阴离子交换膜（AEM）制氢技术可同时兼具固态电解质(PEM)制氢的大电流密度和碱性电解水制氢（ALK）技术的低成本等优点，被认为是未来规模化制氢最有前途的技术。但目前，针对AEM电解槽的催化剂大多仍以传统的ALK电极类催化剂或者PEM电极类贵金属催化剂为主，缺少适配AEM电解槽运行特性的高效率、低成本催化剂。开发高效的电催化产氧（OER）催化剂、加速水氧化反应速率，对于AEM电解水制氢技术是至关重要的。镍铁基过渡金属层状双氢氧化物（NiFe LDH）因其优异的本征催化活性和特殊的结构，在非贵金属基OER催化剂方面引起广泛的研究兴趣，并因其在碱性环境下的高催化活性，在AEM催化剂方面显现出了潜在的工业价值。
　　为调控NiFe LDH的OER性能，迄今为止已引入各种物理化学手段，如分层纳米结构设计、化学液相刻蚀调控、激光/等离子体缺陷工程、层间阴离子置换和层中阳离子掺杂等；然而，大多数方法仍是针对单一特性调控，容易顾此失彼。因此，迫切需要一种从微观形貌、活性相比例到电子配置、原子结构多角度协同优化NiFe LDH的通用性手段。此外，NiFe LDH中各项OER性能的影响因素（如Fe3+/2+比率、α/β-Ni(OH)2比率、氧空位浓度等）的协同作用机制，仍存在争议且缺少全面系统研究。
　　针对上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所王平副研究员、王现英研究员等提出了一种杂多酸（POMs）湿法蚀刻-抛光制备兼具高OER活性和高稳定性NiFe LDH电极的新工艺方法。该方法巧妙地利用POMs多功能特性——超强酸性、强氧化还原性及丰富阴离子簇结构，实现了对NiFe LDH三维结构、Ni和Fe活性相比例、氧空位浓度及POMs阴离子簇插层与表面吸附的多维度调控。结合系统表征分析和理论计算，揭示了OER性能的关键影响因素及其多重协同机制，为该类材料OER性能的阶梯式提高提供了新的思路。

阴离子交换膜

（左）制备工艺及形貌表征；（右）电化学表征。

　　通过系列实验对比，发现OER过电位（η10）与Fe3+和α-Ni(OH)2占比在一定范围内呈线性正相关，与氧空位浓度在一定范围内呈近高斯相关。进一步结合文献数据的论证结果，提出了新的电化学经验公式：“SICCAS electrochemical equation”，可用于定量判断结构-活性的构效关系，这为层状双氢氧化物作为电催化OER材料的快速筛选和开发提供了重要的理论依据。
　　基于该电催化剂组装的AEM电解槽运行结果显示，电流密度10000 A/m2时，单槽压为1.8 V（80°C），单位制氢能耗低于4.3 kWh/Nm3 H2。目前该电解槽已连续稳定运行超过5000小时，接近国际可再生能源机构（IRENA）工业化应用的技术指标 （即电压1.4 ~ 2.0 V电流密度达到0.2 ~ 2 A cm-2，寿命> 5000 h）。这一研究证实该电催化剂在后续规模化AEM绿氢技术方面有重要的应用前景。
　　该成果以“Reinforced layered double hydroxide oxygen evolution electrocatalysts: polyoxometallic acid wet-etching approach and synergistic mechanism”为题发表在Advanced Materials（2022，DOI:10.1002/adma.202110696）期刊上。第一作者为上海硅酸盐所联培博士生蔡正阳，通讯作者为上海硅酸盐所王平副研究员、王现英研究员，内蒙古大学张江威教授。
　　该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委科技支撑碳达峰碳中和专项等项目的资助和支持。
　　附文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202110696。


       文章来源：上海硅酸盐所
        王现英，工学博士，研究员，博士生导师，氢能材料与器件课题组组长。入选中国科学院百人计划、上海市青年启明星、上海市优秀青年学术带头人计划。2005年7月在中国科学院上海光学精密机械研究所获博士学位，2007-2008年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室做访问学者。2009-2020年在上海理工大学材料学院担任“纳米催化与传感材料”研究团队带头人，并先后担任院工会主席、学院副院长等职务。累计在国际著名期刊上以第一或通讯作者发表SCl收录论文100余篇，代表性论文期刊包括Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., Chem. Mater., Small, ACS Nano, J. Mater. Chem. A等。共申请发明专利120多项。