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碱性水电解是目前发展最为成熟的电解制氢路线，其发展与实现“双碳”目标息息相关。为了降低制氢能耗，商用的碱性水电解设备通常在80°C下运行。但是，最具有发展前景的NiFe基析氧阳极，在此工况下却面临着快速失活的困境。这一瓶颈严重制约了高性能碱性水电解设备的发展。 近日，北京化工大学孙晓明教授团队以NiFe-LDH为模型催化剂，揭示了NiFe基析氧阳极在80°C下的迅速失活与活性位点的流失有关。为了解决这一问题，该团队提出了“含氧阴离子工程”：通过在电解液中引入少量的含氧阴离子的钾盐（如：磷酸三钾），就能够使电极中NiFe物种的溶出量减少3倍，从而使稳定性最高提升25倍。
图1 NiFe-LDH在高温下迅速失活 通过对比以NiFe-LDH为阳极的两电极系统在高温（80°C）和室温（rt.，25°C）下的稳定性，可以明显看出该系统在高温下具有极高的性能衰减速度。NiFe-LDH阳极不仅纳米阵列形貌发生了坍塌，其电催化活性也显著变差。 图2 磷酸根电解液添加剂对NiFe-LDH活性与稳定性的影响 首先采用磷酸根作为电解液添加剂进行研究。电解液中引入磷酸根能够提升NiFe-LDH在高温下的析氧反应（OER）活性，原位阻抗进一步表明这一提升源于催化剂的快速重构。更重要的是，在含有磷酸根的电解液中NiFe-LDH表现出更加优异的电催化稳定性，两电极系统恒流测试的性能衰减衰减速度最低达0.72 mV/h，是不含磷酸根的对照组的1/25。 图3 磷酸根增强NiFe-LDH稳定性的机理探究 实验结果表明，电解液中的磷酸根会参与电极重构过程，形成比羟基氧化镍（铁）更加稳定的羟基磷酸镍（铁）活性物种，从而使Ni、Fe活性位点的溶出量减少3倍。 图4 含氧阴离子工程的拓展性验证 最后，通过在电解液中引入硼酸根、硫酸根、碳酸根等离子，证实了含氧阴离子工程的可拓展性。含氧阴离子工程是当前被报道的提升NiFe基阳极高温稳定性最简单有效的方法之一，具有广泛的工业应用前景。 论文信息 Inhibiting Dissolution of Active Sites in 80 °C Alkaline Water Electrolysis by Oxyanion Engineering Wei Liu, Xiaoqian Ding, Jingjin Cheng, Jianlei Jing, Tianshui Li, Xin Huang, Pengpeng Xie, Xichang Lin, Hanlin Ding, Yun Kuang, Daojin Zhou, and Xiaoming Sun 文章的第一作者是北京化工大学的博士生刘威和硕士生丁小倩。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202406082
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