隨著可再生能源的普及，綠色氫氣的生產(chǎn)日益受到關(guān)注，其中水電解是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)氫氣生產(chǎn)的重要技術(shù)之一。水電解主要包括質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）、液體堿性水電解（AWE）和陰離子交換膜水電解（AEMWE）三種類型。盡管PEMWE因其高電流密度和較低的電池電壓而在市場(chǎng)上占據(jù)領(lǐng)先地位，但其對(duì)稀缺的貴金屬催化劑及全氟化膜的依賴，造成了材料成本高和供應(yīng)不穩(wěn)定等問題。這使得AWE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，然而其電流密度和功率密度相對(duì)較低，導(dǎo)致大規(guī)模應(yīng)用時(shí)堆疊體積較大，影響了其負(fù)載靈活性。

因此呢，AEMWE結(jié)合了PEMWE和AWE的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景，尤其是在催化劑和膜電極組件的設(shè)計(jì)方面取得了顯著進(jìn)展。盡管無銥的AEMWE電池在性能上仍落后于PEMWE電池，但研究者們正積極探索高性能的無銥催化劑與催化劑涂層膜的制備方法，以實(shí)現(xiàn)電流密度超過5 A cm^?2且電池電壓低于2 V的目標(biāo)。

成果簡介

為此，柏林工業(yè)大學(xué)P. Strasser教授以及亥姆霍茲柏林材料與能源中心H. Trzesniowski等團(tuán)隊(duì)攜手在Nature Catalysis期刊上發(fā)表了題為“High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands”的最新論文?？茖W(xué)家們針對(duì)鎳基層狀雙氫氧化物（LDH）催化劑進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)其催化活性與紅氧活性Ni-O物種及其在催化相中的相變密切相關(guān)。通過結(jié)合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的研究方法，揭示了催化劑性能提升的機(jī)制，為AEMWE技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論支持與實(shí)踐指導(dǎo)。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次設(shè)計(jì)和組裝了無銥的陰離子交換膜水電解（AEMWE）電池，采用鎳基層狀雙氫氧化物（LDH）作為催化劑涂層，成功實(shí)現(xiàn)了電流密度超過5 A cm?2，電壓低于2.2 V，顯示出與最先進(jìn)的質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）電池相近的性能。

（2）通過原位光譜分析，揭示了Ni4+中心與紅氧活性O(shè)配體之間的耦合，確認(rèn)了催化相中的μ3-O配體在電化學(xué)反應(yīng)中的重要性。這一發(fā)現(xiàn)通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算得到支持，顯示出O K邊特征與催化活性之間的關(guān)系，提供了新的見解。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電池電壓1.8 V時(shí)，AEMWE電池的效率達(dá)到82%，并維持>2 A cm^?2的電流密度，特別是在電極的紅氧電化學(xué)特性上，證明了鎳鐵LDH陽極在氧氣演化反應(yīng)中的優(yōu)越催化性能。

（4）通過創(chuàng)新的催化劑涂層膜（CCM）制備方法，成功實(shí)現(xiàn)了無銥催化劑在AEMWE中的應(yīng)用，展現(xiàn)出其在大規(guī)模可持續(xù)氫氣生產(chǎn)中的潛力，從而推動(dòng)了該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

圖文解讀

圖1: NiX層狀雙氫氧化物layered double hydroxide，LDH電催化劑的析氧反應(yīng)oxygen evolution reaction，OER活性。

圖2: 動(dòng)態(tài)原位O K邊緣X射線吸收光譜X-ray absorption spectroscopy，XAS，并遵循O-529eV動(dòng)力學(xué)。

圖3:計(jì)算K-邊。

圖4: NiFe層狀雙氫氧化物L(fēng)DH 催化劑涂覆膜catalyst-coated membrane，CCMs的陰離子交換膜電解水a(chǎn)nion-exchange membrane water electrolysis，AEMWE單細(xì)胞測(cè)量。

結(jié)論展望

本文的研究展示了無銥（Ir-free）陰離子交換膜水電解（AEMWE）電池在氫氣生產(chǎn)方面的優(yōu)越性能，其極化特性和產(chǎn)氫能力接近目前最先進(jìn)的酸性質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）電池。

通過可擴(kuò)展的涂層工藝，結(jié)合高活性的鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFe LDH）催化劑，本研究深入揭示了催化劑的分子特性與其電化學(xué)反應(yīng)性的關(guān)系。這種創(chuàng)新不僅推動(dòng)了AEMWE電池的性能提升，還為開發(fā)更高效、成本更低的氫氣生產(chǎn)解決方案奠定了基礎(chǔ)。

研究表明，催化反應(yīng)的效率并非僅依賴于氧化還原活性物種的存在，更多的動(dòng)力學(xué)障礙也在起作用。這一發(fā)現(xiàn)促使我們重新思考催化劑的設(shè)計(jì)原則，強(qiáng)調(diào)了將在線實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算結(jié)合的重要性，以期深入理解電催化過程中的電子與結(jié)構(gòu)特征的相互作用。

文獻(xiàn)信息

Klingenhof, M., Trzesniowski, H., Koch, S. et al. High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands. Nat Catal (2024).