论文标题：Rare earth engineering to mitigate corrosion challenges in seawater electrolysis

期刊：Frontiers in Energy

作者：Qingxiu Duan, Chao Luo, Mo Zhang, Yangming Lin

发表时间： 7 Aug 2025

DOI：10.1007/s11708-025-1036-y

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文章内容

海水直接电解制氢因原料易得和应用场景广泛，成为绿氢生产的重要途径，但海水中高浓度氯离子引发的阳极腐蚀问题严重制约技术发展。尽管铁镍基催化剂在碱性海水电解槽（ASWE）中显示出应用潜力，但其析氧反应（OER）电位窗口窄、电流密度不足及腐蚀氧化导致的稳定性衰减等问题尚未解决，而氯离子氧化反应（ClOR）机制的不完全明晰进一步阻碍了高性能电极的结构设计。

本文基于《美国化学会杂志》上发表的论文——《千瓦级碱性海水电解槽的稀土防腐》，对稀土金属保护层创新防腐策略进行了解读。该研究通过在过渡金属电极表面构建富氧亲和性的Eu₂O₃层，创造局部富OH-微环境以抑制Cl-吸附与氧化，显著延长了电极寿命。研究团队首先采用电化学石英晶体微天平（EQCM）和差分电化学质谱（DEMS）对传统Ni网阳极的实时腐蚀行为进行分析，发现氧化产物HClO是导致阳极金属腐蚀的关键因素，而电解液中OH-、SO₄^2-等阴离子的竞争吸附可抑制Cl-在界面的累积。基于此，他们通过电沉积法在FeNi₂S₄层引入稀土元素Eu，经氩气保护煅烧制备出Eu₂O₃/FeNi2S₄复合电极，利用稀土与过渡金属的氧亲和性差异调控界面化学环境。

图1 稀土工程实现耐腐蚀海水电解的机理

X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，Eu₂O₃层通过氧亲和作用、界面应变及介电屏蔽效应，促进Fe与Ni之间的电荷转移和电子离域，构建了OER催化所需的动态redox环境。为揭示稀土氧化物界面的反应过程，研究结合多种原位光谱技术：采用N-乙氧羰基甲基-6-甲氧基喹啉溴化物（MQAE）标记的原位荧光测试显示，Eu₂O₃修饰表面的Cl-吸附与氧化显著减少；原位红外光谱、旋转环盘电极（RRDE）测试及同位素动力学分析进一步证实，Eu₂O₃/FeNi₂S₄电极具有更优异的OH-吸附能力，其表面pH随外加电压的变化规律也印证了富OH-界面的形成。

性能测试表明，在碱性海水电解液中，Eu₂O₃/FeNi₂S₄电极的OER性能显著优于FeNi₂S₄，1.79 V电位下电流密度达100 mA/cm²，为未修饰电极的2倍；长期稳定性测试显示该电极在500 mA/cm²下可稳定运行1000小时，傅里叶变换循环伏安（FtaCV）分析证实Eu₂O₃层通过稳定高价Ni活性位点同步提升了催化活性与耐久性。将其作为阳极与NiS₂阴极组装的ASWE系统，在80 ℃、30% KOH电解液中以1.94 V电压和500 mA/cm²电流密度稳定运行100小时，技术经济分析（TEA）验证了该系统满足商业化制氢的盈利阈值。

该研究还指出，类似的保护层策略已在其他体系中得到验证，如通过在NiCoP-Cr₂O₃电极构建磷酸盐钝化层，实现了0.5 A/cm²下10000小时的稳定海水电解。但稀土保护策略在工业级ASWE装置中高电流密度和超长周期运行的有效性仍需进一步验证，且电极的批量制备工艺需简化以降低成本。与成熟的碱性水电解和质子交换膜电解技术相比，ASWE电极的性能优化与工程化验证仍是未来研究重点。

综上，该研究提出的富氧亲和性稀土Eu₂O₃修饰策略，通过构建富OH-界面稳定Fe/Ni活性位点、阻断氯腐蚀路径，为高效ASWE系统提供了新思路。该研究采用的原位电化学表征技术组合，为验证关键中间体的界面演化提供了方法学参考，其成果不仅推动了海水电解技术的发展，也为水/海水电解领域的界面调控研究提供了重要借鉴。

原文信息

Rare earth engineering to mitigate corrosion challenges in seawater electrolysis

Qingxiu Duan^{1, 2}, Chao Luo^1,2, Mo Zhang^2,3, Yangming Lin^2,3

Author information：

1. College of Chemistry, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China

2. Xiamen Key Laboratory of Rare Earth Photoelectric Functional Materials, Xiamen Institute of Rare Earth Materials, Haixi Institute of the Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China

3. State Key Laboratory of Structural Chemistry, Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of the Chinese Academy of Sciences, Fuzhou 350002, China

Cite this article:

Qingxiu Duan, Chao Luo, Mo Zhang, Yangming Lin. Rare earth engineering to mitigate corrosion challenges in seawater electrolysis. Front. Energy DOI:10.1007/s11708-025-1036-y

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通讯作者简介

林扬明，中国科学院福建物质结构研究所课题组长，研究员，博导，入选中国科学院高层次人才。2016年于中国科学院金属研究所获得博士学位，2016年-2021年在海外工作；2021年5月入职中国科学院福建物质结构研究所组建能源催化与转化课题组，主要从事碳基材料、稀土材料、氢能关键材料与系统集成。相关工作发表论文80余篇，包括Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter等国际权威期刊，发行独著1本，国内外受邀学术报告30余次，主持国家、省部级等各类项目14项。曾获中国科学院院长奖、中国科学院百篇优秀博士论文。担任Journal of Energy Chemistry、Nano-Micro Letters、Exploration、Green Carbon等多个期刊的青年编委以及氢能标准化委员会委员等。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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