怀柔实验室山西研究院前瞻布局工作开始初见成效

近期，怀柔实验室山西研究院与太原理工大学的合作取得新进展，李晋平教授团队在阴离子膜电解水制氢领域的最新研究成果分别以《Activating lattice oxygen based on energy band engineering in oxides for industrial water/saline oxidation》和《Stable hydrogen evolution reaction at high current densities via designing the Ni single atoms and Ru nanoparticles linked by carbon bridges》为题发表在国际知名期刊Energy & Environmental Science和Nature Communications上。怀柔实验室山西研究院前瞻布局工作开始取得实质性成效。

 阴离子交换膜电解水（AEMWE）制氢技术具有低成本和动态响应特性，有望实现大规模应用，但其较高过电势引起的高能耗和低能效阻碍了产业化推广。针对这一问题，李晋平教授团队通过Fe³⁺和F^-稳定的氧空位优化NiOOH能带结构，使得Ni3d能级下降、O2p能级上升，减弱了Ni-O键强度，激活晶格氧高效参与析氧反应，从而降低析氧反应能耗。所得的F-NiFeO在碱性水中过电位为290 mV，在盐水中过电位为295 mV，F-NiFeO ||Pt/C对在1.71 V下电流密度可达1 Acm^-2，并可在阴离子交换膜电解槽中稳定运行140 h以上（见图1）。该工作以《Activating lattice oxygen based on energy band engineering in oxides for industrial water/saline oxidation》为题发表在Energy & Environmental Science（论文链接：http://dx.doi.org/10.1039/D4EE00214H）

在阴极析氢催化材料方面，钌（Ru）因与铂（Pt）相当的析氢能垒、氢键强度及合理的价格，有望代替Pt基催化剂并实现规模化应用。然而，析氢反应中间体·OH在Ru上的强吸附往往导致Ru活性位点的过度覆盖，需合理调节Ru的·OH吸附环境以实现稳定析氢。针对这一问题，李晋平教授团队开发了一种环境友好的单极脉冲电沉积（UPED）技术，将超小的Ru纳米颗粒（2 nm）与锚定在缺陷碳的镍单原子（NiSAs）耦合，获得了一种高效的UP-RuNiSAs/C阴极产氢催化材料。该材料中的NiSAs与Ru纳米颗粒对·OH中间体的竞争吸附，保证了其在大电流密度下仍能高效、稳定产氢，其中碳桥作为媒介实现了Ni和Ru位点之间的物种传输。以UP-RuNiSAs/C催化剂为阴极组装的AEM电解槽装置在1 A cm^-2的电流密度下显示出仅1.95 V的槽压，稳定运行6300小时以上（见图2）。该成果以《Stable hydrogen evolution reaction at high current densities via designing the Ni single atoms and Ru nanoparticles linked by carbon bridges》为题发表在Nature Communications（论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46553-9）。

目前，李晋平教授团队正在持续开发用于AEM电解槽制氢的廉价高效电极及其规模化制备方法，有望为推进AEM电解水制氢的商业化进程提供重要的技术支撑。