电解水制绿氢是“双碳”背景下实现能源转型的重要技术之一，主要包括三种低温工艺：碱性电解水制氢（AWE）、质子交换膜电解水制氢（PEM-WE）和阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）；其中AEM-WE集合了AWE和PEM-WE的优点，被认为是最有可能实现低成本、高效率制绿氢的工艺。然而至今AEM-WE未实现大规模工业化，主要原因之一是电极材料难以在大电流密度下（≥1000 mA cm-2）长期、稳定运行，尤其是涉及氧气析出反应（OER）的阳极侧催化剂材料。
2024年8月13日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成院士团队在Nature Catalysis期刊上发表了一篇题为“Seed-assisted Formation of NiFe Anode Catalysts for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis at Industrial-Scale Current Density”的研究成果。
该成果报道了一种基于非均匀形核液相体系的催化剂制备工艺，即向溶液中人为引入不溶纳米颗粒，通过模拟自然界中的相转变过程，在常温、常压下实现OER催化剂的高效、温和制备。论文通讯作者是孙立成院士，第一作者是李志恒和林高鑫。
现有OER催化剂多种多样，考虑到成本因素和催化活性，研究者更多侧重层状双氢氧化物（LDH）型非贵金属催化剂的研发。然而时至今日，绝大多数OER催化剂却还在小电流密度（如10-100 mA cm-2）条件下反复验证，难以用于实际的工业催化。最大的限制因素之一就是在安培级电流密度下，OER催化剂很难稳定运行！因此需要开发适用于工业级大电流密度的OER催化剂。
作者通过分析自然界中雨、雪和冰雹的形成过程，发现自然界中的相变都需要以灰尘等作为核心，即非均匀形核体系；而绝大多数电催化剂的制备过程却源自于均相溶液体系。基于此，研究团队利用金属无机盐在水中和有机试剂中的溶解度差异，将硝酸镍的异丙醇溶液和硫酸亚铁的水溶液混合，得到含丰富纳米颗粒的非均匀液相体系；进一步地，在这一体系中没入泡沫镍，在常温、常压条件下浸泡24小时即可获得CAPist-L1催化剂。CAPist-L1的制备过程简易、可重复度高、成本低廉且易放大化制备，是一种含镍铁金属、硫酸根、氢氧根和水分子的层状双金属氢氧化物（LDH）结构。
图1：CAPist-L1催化剂的制备过程和结构分析。
通过对CAPist-L1的电化学分析，发现其在1000 mA cm-2的电流密度下过电位仅为220 ± 4.5 mV，低于常规的NiFe-LDH催化剂和商业化IrO2催化剂。对CAPist-L1进行电化学稳定性测试，发现在1000 mA cm-2电流密度下可稳定运行超过15200小时，未见明显衰减。
图2：CAPist-L1催化剂在大电流密度下的OER活性和稳定性。
CAPist-L1的电化学高活性和高稳定性主要源自于一层致密过渡层，这层过渡层介于催化剂层和金属基底之间，可以将催化剂层牢牢地锚定在金属基底上，不仅大大增强了催化剂整体的机械稳定性，还降低了催化结构与基底的接触阻抗，因此整体提升了催化剂的活性和稳定性。通过对CAPist-L1的生长过程分析，发现过渡层主要受非均匀形核液相体系中的纳米颗粒、氧含量和pH等因素的综合因素而形成；同时，过渡层并非在CAPist-L1形成初期产生，而是在浸泡4 h以后，在催化层和基底之间才开始缓慢出现。
图3：CAPist-L1中致密过渡层及其生长过程。
进一步地，作者将CAPist-L1作为阳极催化剂实际应用到了AEM-WE中，在80 °C下表现出7350 mA cm-2的电流密度，超过美国能源部（DOE）指标的制氢活性（1.8 V，2000 mA cm-2），同时在1000 mA cm-2可稳定运行超过1500 h以上。CAPist-L1具备在工业级电流密度下的AEM-WE中稳定、高效运行的应用前景。
图4：以CAPist-L1为阳极的AEM-WE电解水制氢性能及稳定性。
综上，作者提出了一种非均匀形核体系制备CAPist-L1催化剂用于电解水制氢的OER过程，实现了在工业级电流密度下的高效、稳定运行，标志着电解水制氢核心技术突破，有望实现AEM-WE工艺的工业化应用。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-024-01209-1
