劉碧錄團隊在高效穩定海水電解催化劑及電解槽方面取得新進展

 化石燃料的過度使用造成了能源危機和環境污染等問題。氫能熱值高、燃燒產物清潔，是未來可持續社會的重要能源載體。電解水制氫技術以水為原料，可通過清潔的反應過程制取綠色氫能。然而，電解水制氫技術面臨淡水資源緊缺的問題。利用豐沛的海水資源（占水資源的96%以上）發展電解海水制氫技術具有重要意義。在電解海水的過程中，海水中的氯離子（Cl^-）會引起副反應和催化劑腐蝕，導致電催化劑選擇性低、穩定性差，這一難題阻礙了海水電解技術的應用。

 近日，清華大學深圳國際研究生院劉碧錄團隊開發了一種高性能、耐腐蝕海水電解催化劑。研究人員通過水熱法和電化學活化法制備了釕鉬鎳（RuMoNi）催化劑，這種催化劑由表面多孔納米棒陣列組成。高分辨透射電鏡表明該催化劑由鎳鉬合金（Ni₄Mo）導電基底、氧化釕/羥基氧化鎳（RuO₂/NiOOH）活性相和鉬酸鎳（NiMoO₄）抗腐蝕層構成。

 圖1 RuMoNi電催化劑的設計原理和微觀表征

 電催化測試結果表明，在1 M KOH與海水組成的電解液中，RuMoNi電催化劑在100 mA時OER的過電位僅為245 mV，并且在1.7 Vvs. RHE時達到了1000 mA/cm²的高電流密度。RuMoNi電催化劑在堿液、堿性鹽溶液、和堿性海水電解液中均可保持優異的活性，其在海水電解液中的OER選擇性接近100%。研究人員利用Δη/Δlog|j| (Rη/j)這一重要指標在寬電位條件下衡量電極動力學的一個重要指標，通過計算這一指標，研究人員發現RuMoNi具有比RuO₂更快的OER動力學。

 圖2 大電流密度下在堿性海水中的OER性能

 海水的強腐蝕性對電催化劑的耐久性帶來了重大挑戰。研究人員測試了RuMoNi催化劑的長期穩定性，該催化劑可在500 mA/cm²的電流密度下穩定運行3000 h。同時，團隊提出了客觀衡量催化劑穩定性的指標——電壓衰減率（ ），依據此定義計算RuMoNi催化劑的D_V為0.64 μV/h，達到了美國能源部設定的標準（1 μV/h）。在高溫和高鹽濃度電解液中，催化劑在穩定性測試過程中亦未出現明顯的性能衰減現象。以上結果說明RuMoNi催化劑具備優異的耐腐蝕性及穩定性。

 圖3 RuMoNi電催化劑在不同工況條件下的耐久性測試

 研究人員對RuMoNi電催化劑穩定性和選擇性機理進行了深入探究。通過接觸角的測定發現RuMoNi具有超親水特性，因此催化劑的氣泡黏附力低。Tafel圖顯示RuMoNi催化劑的腐蝕電位高于Ni foam，耐腐蝕性能更好。實驗發現在電流密度為500 mA/cm²時間為150 h的穩定性測試過程中，電解液中Ru和Mo的含量無顯著變化，說明RuMoNi催化劑在大電流密度下優異的耐腐蝕性。不同電位下電極表面溶液的元素測試結果說明電極表面吸附的鉬酸根（MoO₄^2-）濃度隨電位的升高而升高，吸附的MoO₄^2-通過靜電相互作用排斥Cl^-，從而抑制Cl^-對電極的腐蝕。

圖4 RuMoNi電催化劑的耐腐蝕機理

 研究人員以RuMoNi作為雙功能電極，組裝了堿性海水陰離子交換膜（AEM）電解槽。該電解槽僅需1.72 V的電壓就可實現1 A/cm²的電流密度制氫，且在0.5 A/cm²的電流密度下，實現了連續240 h的穩定的海水電解。該AEM電解槽表現出高活性、高H₂產率、高穩定性，與已報道的AEM海水電解槽相比具有顯著優勢。

圖5 RuMoNi堿性海水AEM電解槽性能

 相關研究成果以“高效穩定的海水氧化及陰離子交換膜電解槽用耐腐蝕釕鉬鎳催化劑”（A corrosion-resistant RuMoNi catalyst for efficient and long-lasting seawater oxidation and anion exchange membrane electrolyzer）為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）上，論文通訊作者為清華大學深圳國際研究生院劉碧錄教授、余強敏專任副研究員，論文第一作者為清華大學深圳國際研究生院2020級博士生康馨，論文作者還包括中科院深圳先進技術研究院成會明院士，中科院金屬研究所任文才研究員、劉志博博士，斯威本科技大學孫成華教授等。該研究得到國家自然科學基金委員會、科技部、廣東省科技廳、深圳市科技創新委員會等部門的支持。 

論文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41467-023-39386-5

 文、圖：張天昊、康馨

編輯：葉思佳

封面設計：王晨

審核：陳超群