上海矽酸鹽所在陰離子交換膜電解水催化劑方面取得重要進展

陰離子交換膜（AEM）制氫科技可同時兼具固態電解質（PEM）制氫的大電流密度和鹼性電解水制氫（ALK）科技的低成本等優點，被認為是未來規模化制氫最有前途的科技。但現時，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，對於AEM電解水制氫科技是至關重要的。鎳鐵基過渡金屬層狀雙氫氧化物（NiFe LDH）因其優异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，並因其在鹼性環境下的高催化活性，在AEM催化劑方面顯現出了潜在的工業價值。

為調控NiFe LDH的OER效能，迄今為止已引入各種物理化學手段，如分層納米結構設計、化學液相刻蝕調控、雷射/电浆缺陷工程、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。囙此，迫切需要一種從微觀形貌、活性相比例到電子配寘、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效能的影響因素（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。

針對上述問題，中國科學院上海矽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-拋光製備兼具高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——超强酸性、强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。結合系統表徵分析和理論計算，揭示了OER效能的關鍵影響因素及其多重協同機制，為該類資料OER效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占比在一定範圍內呈線性正相關，與氧空位濃度在一定範圍內呈近高斯相關。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”，可用於定量判斷結構-活性的構效關係，這為層狀雙氫氧化物作為電催化OER資料的快速篩選和開發提供了重要的理論依據。

基於該電催化劑組裝的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），組織制氫能耗低於4.3 kWh/Nm³H₂。現時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构（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後續規模化AEM綠氫科技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。第一作者為上海矽酸鹽所聯培博士生蔡正陽，通訊作者為上海矽酸鹽所王平副研究員、王現英研究員，內蒙古大學張江威教授。

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。

附文章連結：https://doi.org/10.1002/adma.202110696。