隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)型，氫氣作為清潔能源載體扮演著關(guān)鍵角色。利用可再生能源進(jìn)行電催化水分解，被視為可持續(xù)生產(chǎn)高純氫氣的理想途徑。其中，陰離子交換膜（AEM）水電解技術(shù)結(jié)合了堿性電解的低成本與質(zhì)子交換膜電解的高效率優(yōu)勢(shì)，但大規(guī)模應(yīng)用仍受限于缺乏高活性、高耐久性且成本低廉的非貴金屬催化劑。尤其是在工業(yè)級(jí)高電流密度、高溫及長(zhǎng)期運(yùn)行條件下，現(xiàn)有催化劑往往活性位點(diǎn)利用率低、穩(wěn)定性不足，制約了其商業(yè)化進(jìn)程。

近日，中南林業(yè)科技大學(xué)吳義強(qiáng)教授、卿彥教授和倫敦大學(xué)學(xué)院何冠杰教授合作提出了一種創(chuàng)新的膠體介導(dǎo)化學(xué)鍍（CMEP）策略，在常溫常壓下成功制備出具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)鐵摻雜鎳鎢硼（Fe-NiWB）催化劑。該催化劑展現(xiàn)出卓越的雙功能催化活性與超長(zhǎng)穩(wěn)定性，在堿性環(huán)境中進(jìn)行氫析出反應(yīng)（HER）和氧析出反應(yīng)（OER）時(shí)，可在500 mA cm?2的工業(yè)電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)2000小時(shí)而無(wú)明顯衰減。將其應(yīng)用于AEM電解槽，僅需1.55 V槽壓即可實(shí)現(xiàn)500 mA cm?2的產(chǎn)氫電流密度。初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，該技術(shù)路線具有顯著的規(guī)?；c成本競(jìng)爭(zhēng)力，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行的大規(guī)模綠色制氫帶來(lái)了新希望。相關(guān)論文以“Colloid-Mediated Synthesis of Hierarchically Porous Amorphous Catalyst for Durable Industrial-Scale Water Electrolysis”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)示意圖對(duì)比了傳統(tǒng)化學(xué)鍍與CMEP方法的差異。傳統(tǒng)方法易形成致密結(jié)構(gòu)，活性位點(diǎn)少；而CMEP利用原位生成的Fe-W-O膠體粒子，有效抑制了致密層的生長(zhǎng)，最終在具有垂直排列通道的純化木材骨架上，沉積出具有開放多孔結(jié)構(gòu)的均勻催化劑涂層。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了電極高活性表面積、優(yōu)異的傳質(zhì)能力以及與基底牢固的結(jié)合力。

圖1：合成與結(jié)構(gòu)表征。 a, b) 通過(guò)傳統(tǒng)化學(xué)鍍和膠體介導(dǎo)化學(xué)鍍制備電催化劑的工藝示意圖。c, d) Fe-NiWB/PW的SEM圖像。e) 與不具備定向微通道的商業(yè)泡沫鎳和碳紙相比，PW骨架在構(gòu)建電極材料時(shí)具有高活性表面積、低成本、高效傳質(zhì)行為、出色的效率、可擴(kuò)展性和普適性。

進(jìn)一步的形態(tài)表征揭示，鐵元素的引入對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)起到了關(guān)鍵調(diào)控作用。無(wú)鐵的NiWB樣品表面相對(duì)平滑，而Fe-NiWB則形成了由多孔納米球與納米片互連構(gòu)成的分級(jí)多孔納米片結(jié)構(gòu)。元素分布圖證實(shí)了鐵、鎳、鎢、硼在催化劑層中均勻分布。氮?dú)馕摳綔y(cè)試表明，F(xiàn)e-NiWB的比表面積約為NiWB的四倍，這得益于Fe-W-O膠體誘導(dǎo)形成的介孔-大孔網(wǎng)絡(luò)。多種光譜學(xué)分析共同證實(shí)了催化劑的非晶態(tài)特性，并表明鐵的成功摻入調(diào)節(jié)了鎳的局部配位環(huán)境與電子結(jié)構(gòu)，為高催化活性創(chuàng)造了有利條件。

圖2：形態(tài)表征。 a) TEM圖像，b) HRTEM圖像（插圖為SAED衍射圖），c) NiWB的AFM圖像。d) TEM圖像，e) HRTEM圖像（插圖為SAED衍射圖），f) AFM圖像，g) Fe-NiWB的EDS元素分布圖。

電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果令人矚目。在堿性電解液中，F(xiàn)e-NiWB/PW電極對(duì)HER和OER均表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和動(dòng)力學(xué)。其達(dá)到10和500 mA cm?2電流密度所需的過(guò)電勢(shì)遠(yuǎn)低于對(duì)比樣品，甚至媲美或優(yōu)于貴金屬基準(zhǔn)催化劑。塔菲爾斜率和電化學(xué)阻抗譜分析表明該電極具有更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和更低的電荷轉(zhuǎn)移電阻。尤為突出的是，在長(zhǎng)達(dá)2000小時(shí)的恒電流測(cè)試中，電極電位幾乎無(wú)衰減，展現(xiàn)了非凡的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖3：樣品在1.0 M KOH中的電催化水分解性能。 a) HER和b) OER極化曲線。c) Fe-NiWB/PW用于HER和OER的多步計(jì)時(shí)電位法測(cè)試（未進(jìn)行IR校正）和d) 長(zhǎng)期計(jì)時(shí)電位法測(cè)試。e) 在10 mA cm?2過(guò)電勢(shì)與近期報(bào)道的參考文獻(xiàn)對(duì)比。

為深入理解性能提升的機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳盡的機(jī)理研究。原位拉曼光譜等分析發(fā)現(xiàn)，在OER過(guò)程中，F(xiàn)e的摻入顯著促進(jìn)了電極表面在更低電位下重構(gòu)為高活性的(Fe)NiOOH相，這是其OER活性增強(qiáng)的關(guān)鍵。對(duì)于HER，理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)e位點(diǎn)能更有效地吸附并解離水分子，優(yōu)化氫中間體的吸附自由能，從而加速了整個(gè)HER過(guò)程。此外，電極獨(dú)特的分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)及其超親水性，確保了電解質(zhì)的快速滲透和生成氣泡的迅速脫附，避免了活性位點(diǎn)被阻塞，這是其在高電流密度下保持高性能的重要保障。

圖4：結(jié)構(gòu)演變與傳質(zhì)行為分析。 a) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 OER 過(guò)程中的循環(huán)伏安曲線（掃描速率：1 mV s?1，未進(jìn)行 iR 補(bǔ)償）。b) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 OER 過(guò)程中的原位拉曼光譜。c) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 HER 過(guò)程中的原位波特圖。d) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 HER 過(guò)程中的原位拉曼光譜。e, f) 在不同電流密度下進(jìn)行計(jì)時(shí)電位法測(cè)試時(shí)，使用高速相機(jī)拍攝的 Fe-NiWB/PW 和 Pt/C/NF 表面釋放氫氣氣泡的圖像。

圖5：理論研究。 a) Fe-NiWB的電荷密度差分圖。b) 水吸附和解離路徑在NiWB、Fe-NiWB（Ni位點(diǎn)）和Fe-NiWB（Fe位點(diǎn)）上的動(dòng)力學(xué)能壘。c) 氫吸附自由能在NiWB、Fe-NiWB（Ni位點(diǎn)）和Fe-NiWB（Fe位點(diǎn)）上的計(jì)算值。d) NiOOH/NiWB和Fe-NiOOH/NiWB的態(tài)密度分析。e) OER在NiOOH/NiWB和(Fe)NiOOH/NiWB上的吉布斯自由能圖。f) Fe-NiWB在1.0 M KOH電解液中于HER和OER過(guò)程中的真實(shí)物相與活性位點(diǎn)示意圖。

基于單電極的優(yōu)異表現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以Fe-NiWB/PW同時(shí)作為陰極和陽(yáng)極的AEM電解槽。該電解槽在1.0 M KOH中達(dá)到500 mA cm?2僅需1.55 V槽壓，性能優(yōu)于商業(yè)Pt/C||RuO?體系，并表現(xiàn)出接近100%的法拉第效率。即使在模擬海水電解的堿性鹽水電解質(zhì)中，也展現(xiàn)了良好的活性和超過(guò)2000小時(shí)的穩(wěn)定性。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析預(yù)測(cè)，采用該技術(shù)的理想化1 MW規(guī)模AEM制氫工廠，平準(zhǔn)化制氫成本可低至1.74美元/千克氫氣，已低于美國(guó)能源部設(shè)定的2026年目標(biāo)，凸顯了其巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。

圖6：水分解應(yīng)用與成本分析。 a) 示意圖和b) 陰離子交換膜電解槽實(shí)物圖。c) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW在1.0 M KOH和1.0 M KOH海水中的LSV曲線，并與Pt/C||RuO?對(duì)比。d) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW分別在1.0 M KOH和1.0 M KOH海水中于100、500和1000 mA cm?2下的電解槽電壓。e) Fe-NiWB/PW的法拉第效率和氣體產(chǎn)量。f) Fe-NiWB/PW與已報(bào)道催化劑的全水解性能對(duì)比。g) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW的計(jì)時(shí)電位曲線。h) 工廠操作電流密度與槽壓依賴關(guān)系，以及i) 基于理想1 MW AEM工廠的氫氣平準(zhǔn)化生產(chǎn)成本敏感性分析。

這項(xiàng)研究不僅通過(guò)CMEP策略成功研制出一種高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的雙功能電解水催化劑，為工業(yè)級(jí)綠色制氫提供了極具前景的材料解決方案，更重要的是，它揭示了通過(guò)調(diào)控非晶態(tài)材料的局域環(huán)境與多孔結(jié)構(gòu)來(lái)協(xié)同優(yōu)化催化活性、穩(wěn)定性和傳質(zhì)過(guò)程的可行路徑。該工作深化了對(duì)催化劑構(gòu)效關(guān)系的理解，所開發(fā)的合成方法具備簡(jiǎn)便、易擴(kuò)展的優(yōu)勢(shì)，為設(shè)計(jì)下一代大規(guī)模電催化劑、推動(dòng)可持續(xù)氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。