上海硅酸鹽所在陰離子交換膜電解水催化劑方面取得重要進展

材料人編輯小單 1年前 (2022-04-26) 2425瀏覽

一、【導讀】

陰離子交換膜（AEM）制氫技術可同時兼具質子交換膜(PEM)制氫的大電流密度和堿性電解水制氫（ALK）技術的低成本等優點，被認為是未來規模化制氫最有前途的技術。但目前，針對AEM電解槽的催化劑大多仍以傳統的ALK電極類催化劑或者PEM電極類貴金屬催化劑為主，缺少適配AEM電解槽運行特性的高效率、低成本催化劑。開發高效的電催化產氧（OER）催化劑、加速水氧化反應速率，對于AEM電解水制氫技術是至關重要的。鎳鐵基過渡金屬層狀雙氫氧化物（NiFe?LDH）因其優異的本征催化活性和特殊的結構，在非貴金屬基OER催化劑方面引起廣泛的研究興趣，并因其在堿性環境下的高催化活性，在AEM催化劑方面顯現出了潛在的工業價值。

迄今為止，各種物理化學手段被引入以調控NiFe LDH的OER性能，如分層納米結構設計、化學液相刻蝕調控、激光/等離子體缺陷工程、層間陰離子置換和層中陽離子摻雜等，然而，大多數方法仍是針對單一特性調控，容易顧此失彼。因此，迫切需要一種從微觀形貌、活性相比例到電子配置、原子結構多角度協同優化NiFe LDH的通用性手段。此外，NiFe LDH中各項OER性能的影響因素（如Fe^3+/2+比率、α/β-Ni(OH)₂比率、氧空位濃度等）的協同作用機制，仍存在爭議且缺少全面系統研究。

二、【成果掠影】

針對上述問題，中國科學院上海硅酸鹽研究所王平副研究員、王現英研究員等提出了一種雜多酸（POMs）濕法蝕刻-拋光制備兼具高OER活性和高穩定性NiFe LDH電極的新工藝方法。該方法巧妙地利用POMs多功能特性——超強酸性、強氧化還原性及豐富陰離子簇結構，實現了對NiFe LDH三維結構、Ni和Fe活性相比例、氧空位濃度及POMs陰離子簇插層與表面吸附的多維度調控。結合系統表征分析和理論計算，揭示了OER性能的關鍵影響因素及其多重協同機制，為該類材料OER性能的階梯式提高提供了新的思路。

通過系列實驗對比，發現OER過電位（η₁₀）與Fe³⁺和α-Ni(OH)₂占比在一定范圍內呈線性正相關，與氧空位濃度在一定范圍內呈近高斯相關。進一步結合文獻數據的論證結果，提出了新的電化學經驗公式：“SICCAS electrochemical equation”，可用于定量判斷結構-活性的構效關系，這為層狀雙氫氧化物作為電催化OER材料的快速篩選和開發提供了重要的理論依據。

基于該電催化劑組裝的AEM電解槽運行結果顯示，電流密度10000 A/m²時，單槽壓為1.8 V（80°C），單位制氫能耗低于4.3 kWh/Nm³?H₂。目前該電解槽已連續穩定運行超過5000小時，接近國際可再生能源機構（IRENA）工業化應用的技術指標 (即電壓1.4 ~ 2.0 V電流密度達到0.2 ~ 2 A cm^-2，壽命> 5000 h）。這一研究證實該電催化劑在后續規模化AEM綠氫技術方面有重要的應用前景。

該成果以“Reinforced layered double hydroxide oxygen evolution electrocatalysts: polyoxometallic acid wet-etching approach and synergistic mechanism”為題發表在Advanced Materials（2022，DOI:10.1002/adma.202110696）期刊上。第一作者為上海硅酸鹽所聯培學生蔡正陽博士，通訊作者為上海硅酸鹽所王平副研究員、王現英研究員，內蒙古大學張江威博士。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科委科技支撐碳達峰碳中和專項等項目的資助和支持。

附文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202110696。

三、【圖文解析】