西湖大學電解水制氫催化劑新突破
【化工儀器網 項目成果】在“雙碳”背景下，電解水制氫作為實現能源轉型的關鍵技術之一，備受關注。其中，陰離子交換膜電解水制氫(AEM-WE)因其結合了堿性電解水制氫(AWE)和質子交換膜電解水制氫(PEM-WE)的優點，被認為是最具潛力實現低成本、高效率制綠氫的工藝。然而，AEM-WE技術的大規模工業化進程一直受制于電極材料難以在大電流密度下長期穩定運行的問題，尤其是涉及氧氣析出反應(OER)的陽極側催化劑材料。
西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心教授孫立成團隊開發了一種新型非貴金屬催化劑CAPist-L1的制備工藝，即向溶液中人為引入不溶納米顆粒，在常溫、常壓條件下通過簡單浸泡法，一步合成非貴金屬催化劑——CAPist-L1。
研究團隊利用金屬無機鹽在水中和有機試劑中的溶解度差異，將硝酸鎳的異丙醇溶液和硫酸亞鐵的水溶液混合，得到含豐富納米顆粒的非均勻液相體系。進一步地，在這一體系中沒入泡沫鎳，在常溫、常壓條件下浸泡24小時，即可獲得CAPist-L1催化劑。
CAPist-L1的制備過程簡易、成本低廉、可重復度高且易放大化制備，是一種含鎳鐵金屬、硫酸根、氫氧根和水分子的層狀雙金屬氫氧化物(LDH)結構。通過電化學分析，CAPist-L1在1000 mA cm-2的電流密度下過電位僅為220±4.5 mV，低于常規的NiFe-LDH催化劑和商業化IrO2催化劑。更為關鍵的是，CAPist-L1在1000 mA cm-2電流密度下可穩定運行超過19000小時，展現出極高的電化學穩定性和催化效率。
CAPist-L1的高活性和高穩定性主要源自于一層致密過渡層的存在。這層過渡層介于催化劑層和金屬基底之間，將催化劑層牢牢地錨定在金屬基底上，不僅大大增強了催化劑整體的機械穩定性，還降低了催化結構與基底的接觸阻抗，從而整體提升了催化劑的活性和穩定性。研究團隊發現，過渡層并非在CAPist-L1形成初期產生，而是在浸泡4小時后才開始緩慢出現，這一發現為理解催化劑的生長機制提供了重要線索。
CAPist-L1在1000 mA cm^-2的電流密度下已穩定運行超過19000小時，至今還未出現衰退的跡象。此外，研究團隊將CAPist-L1作為陽極催化劑應用于陰離子交換膜電解水制氫中，展現出優秀的制氫活性，即在1.8 伏的電壓下達到2000 mA cm^-2的電流密度。這意味著陰離子交換膜電解水制氫技術的短板終于被補上了，研究為高效制造綠色氫氣提供了可能。
相關研究成果Seed-assisted formation of NiFe anode catalysts for anion exchange membrane water electrolysis at industrial-scale current density于近日發表在《自然—催化Nature Catalysis》。
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