中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，大連化物所能源催化轉(zhuǎn)化全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究中心（509組群）鄧德會(huì)研究員、劉艷廷副研究員、于良研究員團(tuán)隊(duì)，在堿性水電解制氫領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出了“原子到宏觀”多尺度組裝整體式催化電極設(shè)計(jì)新策略，構(gòu)筑了具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的整體式電極，在安培級(jí)電流密度下實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定產(chǎn)氫，為降低制氫成本提供了新方案。
基于可再生能源的電解水制氫是實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一，堿性水電解是當(dāng)前規(guī)模化制備綠氫的主要技術(shù)。實(shí)現(xiàn)安培級(jí)電流密度是堿性水電解工業(yè)制氫的核心目標(biāo)，但傳統(tǒng)電極在高電流密度下面臨活性與穩(wěn)定性難以兼顧的問題。傳統(tǒng)鎳泡沫/絲網(wǎng)電極雖穩(wěn)定性較好，但比表面積低、催化活性位點(diǎn)少，難以在安培級(jí)電流密度下高效運(yùn)行。在鎳泡沫/絲網(wǎng)上包覆催化劑層可提升活性，但劇烈的氣泡析出會(huì)阻塞活性位點(diǎn)、阻礙電解質(zhì)傳輸，并導(dǎo)致催化層剝落，從而增加能耗并縮短壽命。構(gòu)建兼顧催化活性、傳質(zhì)效率與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的整體式電極，成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事能源與環(huán)境小分子的催化轉(zhuǎn)化研究，前期在電解水制氫方面取得系列進(jìn)展（Joule，2025；Adv. Funct. Mater.，2025；Angew. Chem. Int. Ed.，2024；Matter，2023；ACS Catal.
，2022；Sci. Bull.，2021；Adv. Mater.，2020；Nano Energy，2018；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2016；Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Energy Environ. Sci.，2015；RSC Adv.，2014；Energy Environ. Sci.，2014）。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本工作提出了“原子到宏觀”多尺度組裝整體式催化電極設(shè)計(jì)新策略，通過模板輔助粉末冶金法制備了整體式多級(jí)孔鎳（Ni）金屬骨架，并在其表面引入二氧化鉬（MoO2），通過高溫煅燒原位構(gòu)筑了豐富的Ni/MoO2界面，最終形成了具有豐富原子級(jí)異質(zhì)界面及“納米—微米—亞毫米”三級(jí)孔結(jié)構(gòu)的整體式電極（Ni/MoO2）。在電子結(jié)構(gòu)層面，Ni與MoO2界面處的電子轉(zhuǎn)移適度弱化了氫中間體在Ni位點(diǎn)的吸附，從而促進(jìn)了氫氣的脫附，提升了本征活性；在傳質(zhì)層面，親水性的MoO2與多級(jí)孔結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，加速了氣泡脫附和電解液滲透，提高了高電流密度下的傳質(zhì)效率；在穩(wěn)定性層面，Ni與MoO2間的強(qiáng)相互作用及其與多孔Ni整體式骨架的牢固結(jié)合，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
基于該策略制備的電極在1 M KOH電解液中，達(dá)到1 A cm-2電流密度僅需145 mV過電位，優(yōu)于商用Pt/C催化劑（300 mV），并可穩(wěn)定運(yùn)行超過3500小時(shí)。在實(shí)際堿性水電解槽中，該電極在工業(yè)條件下（30 wt% KOH，大于等于85 °C）實(shí)現(xiàn)1 A cm-2電流密度僅需1.80 V槽電壓，對(duì)應(yīng)能耗為4.3 kWh Nm-3 H2，并展現(xiàn)出超過1000小時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性。該工作通過從原子到宏觀尺度的跨尺度設(shè)計(jì)，構(gòu)建了兼具界面電子調(diào)控與多尺度孔結(jié)構(gòu)的整體式電極，突破了高電流密度下堿性水電解電極活性與穩(wěn)定性難以兼顧的技術(shù)瓶頸，為開發(fā)高效、耐用的制氫電極提供了新思路。
相關(guān)研究成果以“An Atomic-to-Macroscale Assembled Ni/MoO2 Electrode for High-Efficiency and Long-Life Hydrogen Production”為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的共同第一作者是大連化物所509組群博士研究生蔣賞和胡薇。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“能源電催化的動(dòng)態(tài)解析與智能設(shè)計(jì)”、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧濱海實(shí)驗(yàn)室、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。
