论文标题：Solid–Solid Interface Design for Hydrogen Production by Direct Seawater Electrolysis: Progress and Challenges

论文链接：https://www.mdpi.com/2304-6740/13/6/183

期刊名：Inorganics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/inorganics

文章引言

直接海水电解（DSE）制氢作为一种极具潜力的可持续能源路径，近年来受到广泛关注。然而，海水中复杂的离子环境对阳极材料的耐腐蚀性提出了严峻挑战。上海交通大学龙霞教授课题组在Inorganics上发表综述文章，系统探讨了多层结构电极中固-固界面的设计原则与功能作用，提出了通过界面工程提升海水电解效率与稳定性的新策略，为高效、耐用的海水电解制氢技术提供了重要理论支撑与发展方向。

图1. 多层电极中固-固界面的构建及其在海水电解中的作用示意图。

固-固界面的构建策略

文章系统总结了三种主流的固-固界面构建方法：原位转化法（In-situ Transformation Methods）、沉积法（Deposition Methods）与热合成法（Thermal Synthesis Methods）。这些方法在界面结构调控、层间结合强度、催化活性与稳定性方面各有优势。

原位转化法

原位转化的合成方法是指在电化学反应过程中，通过组分浸出或离子相互作用，自发在电极表面形成保护性界面层。例如图2，通过引入含氧阴离子（如SO₄^2-、PO₄^3-）促使生成硫酸根或钼酸盐层，能有效排斥氯离子，显著提升电极在海水中的耐腐蚀性能。

图2. 原位转化法合成多层电极的耐蚀性能、合成路径与界面结构示意图。

沉积法

沉积法是一种常见的化学合成方法，通过电化学或化学沉积方式，在已有基底上构筑活性层，实现对表面组成和界面结构的精确调控。该方法可形成纳米结构涂层与基底间的强界面结合，克服弱范德华力或静电吸附的不足，显著增强电子传输与结构稳定性。

热合成法

热合成通常在密封容器中通过精确调控温度、压力、气氛等条件进行，能够有效控制材料的晶体结构、相组成与多级形貌。该方法适用于将氮化物、磷化物、硫化物等整合进海水电解阳极设计中，形成有利于电解液渗透和气体释放的多孔界面结构。

固-固界面的关键作用

多层结构阳极通常展现出显著增强的DSE催化活性和稳定性，从而大幅提升了制氢效率。文章介绍了多层电极的固-固界面特性，这些界面在促进物质与电子传递、增强层间协同效应、强化界面结合力等方面起着关键作用，进而全面提升电极的催化性能和长期稳定性。文章重点阐述了固-固界面在提升海水电解性能中的五个核心功能：

增强电子传输

通过在导电基底与催化层之间引入导电中间层（如石墨烯、硒层等），这种耦合方式显著降低了电荷传输阻力，从而提升反应动力学。例如研究者通过在GDY/RhOX/GDY电极界面处构建sp-C-O-Rh结构，显著增强电荷转移；通过Fe(Cr)OOH/Fe₃O₄电极中的界面协同作用在费米能级附近产生新的电子态，降低整体过电位。

优化传质过程

为解决气泡阻塞活性位点的问题，研究通过界面工程设计促进气泡脱附。例如NF/(CoMo)_0.85Se@FeOOH电极构建的超亲水界面实现了电解液快速渗透和气泡瞬时脱附；NiTe-NiFeN多层电极通过界面协同效应优化*OH中间体吸附能，调高传质效率。

强化界面结合力

为防止高电流密度下催化层剥离，研究者通过强化界面结合力提升机械稳定性。例如木材气凝胶/NiMoP/S,P-(Ni,Mo,Fe)OOH三明治电极通过金属键、化学键和范德华力的协同作用紧密结合；Ti₃C₂ MXene与(Ni,Fe)S₂通过Ti-O-Fe键防止Fe溶解。

提升本征催化活性

多层电极利用层间协同效应可显著提升OER活性。例如CeO₂/D-NiFe-LDH@CuW电极通过Ce-O-Ni单元优化反应中间体吸附自由能和界面电子转移能力；MoO₃@CoO/CC电极在反应过程中原位生成CoMo LDH活性相，使OER活性提升超过20%。

氯离子阻隔效应

为抑制氯离子腐蚀，研究发展了物理阻挡、静电排斥与动态吸附平衡三种有效的界面防护策略机制，有效抑制氯离子对电极的腐蚀，延长使用寿命。图3为研究者设计的Ni-Fe-Ce-B/MS电极、CoFe-Ci@GQDs/NF电极和Ir/CoFe-LDH电极的抗腐蚀机制，为高电流密度下的腐蚀防护提供了新思路。

图3. 多层电极在海水电解中的抗腐蚀机制示意图。

总结讨论

本文系统综述了多层结构电极中固-固界面的设计、构建与功能机制，强调了其在提升海水电解效率与稳定性方面的关键作用。尽管目前已取得显著进展，作者指出未来仍需在耐多离子共腐蚀的界面结构开发、动态工况下的界面应力响应机制研究、结合机器学习与理论模拟的高性能界面材料设计等方向深入探索。

随着对固-固界面机制的深入理解与材料设计的不断创新，高效、稳定的海水电解制氢技术有望在未来能源体系中发挥越来越重要的作用。