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文 章 信 息
基于耐腐蚀及多场景应用的钼镍磷电极实现高效工业级全海水分解
第一作者：郝伟举，马勋伟
通讯作者：范金辰*，李和兴*，李贵生*
单位：上海理工大学，上海师范大学
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研 究 背 景
实现间歇性能源（风能、太阳能）直接电解海水制氢对于当前“碳中和、碳达峰”战略具有重大意义。然而，海水中存在大量的氯离子（Cl-，约0.5M）引起的副反应（例如阳极的析氯反应，CER）产生竞争，在催化电极表面易形成次氯酸根离子对电极产生较严重的毒化或腐蚀作用。如何设计高本征活性、同时又耐氯腐蚀的电极是实现工业级电解海水制氢的基础。同时，固体储氢材料是当前能源转换领域中重要的能源载体。其中，硼氢化钠(NaBH4)储氢密度高(10.6 wt%)，通过NaBH4水解可以可控的方式释放H2。若通过水解产氢设备与氢燃料电池偶联可直接实现能源供应极具工业化前景。然而，NaBH4自水解动力学缓慢，需要加入合适的催化剂促进NaBH4水解。本工作通过精准电极设计，实现多维度、多场景应用的高本征活性电极，为当前氢能源开发提供基础研究。
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文 章 简 介
近日，来自上海理工大学的郝伟举副教授、范金辰教授、李贵生教授与上海师范大学的李和兴教授合作，在国际知名期刊Advance Energy Materials上发表题为“Surface Corrosion-Resistant and Multi-Scenario MoNiP Electrode for Efficient Industrial-Scale Seawater Splitting”的观点文章。该观点文章分析了电极在催化海水制氢、制氧过程中的不稳定因素，设计耐海水腐蚀、多场景应用的催化电极。
方案1. 多场景应用的MoNiP自支撑电极的设计及耐氯腐蚀的机制研究。
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本 文 要 点
要点一：自支撑电极的精准设计
图1 MoNiP自支撑电极的设计及表征
设计经济型、高稳定型催化电极用于高效电解海水制氢对于当前“绿色化学”体系发展具有重要意义。本工作利用一步温和化学镀法(EP)合成Mo-NiP@NF多功能材料及其应用策略。基于优化后的温和（323K）化学镀工艺，在5h内成功实现疏松多孔、大面积以及非晶型Mo-NiP@NF电极制备，凸显其工业应用优势，在组装PEM电解槽用于电解水制氢制氧联动氢燃料电池发电，这种简易、条件温和的制备策略更具前景。
要点二：工业级全海水分解
图2 自支撑电极实现工业级海水催化
基于催化电极自组装的三维纳米微球形貌、高导电性以及结合能大面积快速制备的优势，采用标准三电极体系，在1.0 M KOH+0.5 M NaCl溶液中测试了电催化性能。催化电极实现优异的析氢反应、析氧反应以及全海水分解的催化活性，90%iR矫正的LSV曲线表明，Mo-NiP@NF分别仅需1.54V、1.84V和1.96V的电压即可达到100 mA cm-2、500 mA cm-2和1000 mA cm-2的工业级大电流密度，展现出当前优异的催化活性，通过催化真实海水（中国上海市浦东新区东海口岸(31.13N, 121.46E），持续催化1500 h左右，仍保持较优异的稳定性及活性。我们基于高活性高稳定催化电极，通过太阳能电池组与该PEM槽串联，组装了一个便携式电解水产氧一体机模型。通过PEM槽电解水生产氢气和氧气。基于Mo-NiP@NF的电解槽组装的一体化制氧机可实现320 mL min-1的产氢速率和160 mL min-1的产氧速率，实现初步制氧制氢机 模型开发。
要点三：耐海水腐蚀的机制研究
图3 耐海水腐蚀的机制探究
高高本征活性高耐腐蚀的催化电极，其根本催化机制及原因在于：Mo-NiP@NF在碱性整体海水裂解中表现出高活性，在高电流密度下具有长期稳定性。这种性能可归因于三个因素：（Ⅰ）钼的引入有助于原位重建Mo-NiP@NF在电化学过程中，预催化剂电极转化为Ni（OH）₂相和NiOOH/NiOO物种，作为催化水分解的真正活性物种；（Ⅱ）原位氧化产生POxδ-和MoOxδ-阴离子，有效防止电极的Cl-腐蚀。
要点四：多场景下的应用探索
图4 多场景应用的固态催化
固体储氢材料因其安全性和易于装载被认为是理想的储氢材料，实现此类储氢材料如硼氢化钠（NaBH4）水解制氢是当前能源领域热点话题之一。设计的催化电极通过微量的钌负载，可实现单位时间接近11 L min-1氢气的释放，更重要的我们模拟各种特殊环境下的应用，包括真实海水、生活污水、尿液等环境下的催化硼氢化钠制氢，均实现高效的催化活性，设计的电极在循环6个小时催化下，也实现优异的稳定性，当前该工艺已通过中国计量单位“CMA”认证，可实现批量12片，直径3 cm，5cm，8cm及12 cm的自支撑电极的制备。
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总 结 及 展 望
本工作通过温和(323 K)化学镀工艺，在泡沫镍(NF)上原位负载异质元素Mo调控的NiP合成Mo-NiP@NF多功能材料。优化的电子结构实现增强的反应动力学，实现高活性催化，其原位形成的钼酸根离子、磷酸根离子实现催化海水过程中的腐蚀性问题，更重要的大面积催化片组装的硼氢化钠水解产氢设备偶联氢燃料电池实现3kW连续输出功率，模拟海水、模拟尿液、雨水及真实海水等多种极端环境中高效产氢。本工作通过温和可控的方法制备非贵金属材料实现多场景、高活性、长稳定的绿色能源转换，展示了一种可持续的创新策略和优化方案。
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文 章 链 接
Surface Corrosion-Resistant and Multi-scenario MoNiP Electrode for Efficient Industrial-scale Seawater Splitting Adv, Energy Mater, 2024,2403009.
https://doi.org/10.1002/aenm.202403009
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.2024030091
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通 讯 作 者 简 介
范金辰教授简介： 主要从事能源催化材料研究，聚焦电催化、光催化和储能电池电极材料的结构设计和表界面性质调控，先后主持国家/省部级等各类科研项目10多项，其中包括国家自然科学基金面上项目，青年科学基金项目，上海市自然科学基金面上项目，先后入选上海市青年科技启明星计划，上海市青年科技英才扬帆计划，上海市教委晨光计划，上海高校青年教师培养资助计划，参与国家自然科学基金重大研究计划、上海市科委纳米重点专项等项目研究。围绕能源转化利用和新能源技术，在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Small、Appl. Catal. B-Environ、J. Mater. Chem. A、J. Energy Chem.等重要学术期刊发表SCI论文150余篇，其中第一作者及通讯作者论文近80篇，ESI 高被引论文9篇，他引5800余次，H-index指数40，申请中国发明专利15项，授权8项。
个人主页：https://chxy.usst.edu.cn/2021/0914/c10587a254649/page.htm
李贵生教授简介：以通讯或第一作者身份在环境与能源各类重要国际SCI期刊上发表了近100余篇高质量论文，包括J. Am. Chem. Soc., Environ. Sci. Technol., Adv. Func. Mater., Appl. Catal. B-Environ., Nano Energy等，其中有15篇论文入选全球引用前1%ESI高被引论文，一篇入选1‰ESI高被引论文，同行他引用达7800余次，h-因子为48。目前完成及主持国家自然科学基金青年、面上项目共计5项，获得中国专利授权11项，获上海市自然科学二等奖(排名第一)，全球前2%“终身影响力顶尖科学家”和“2023年度全球前2%年度影响力顶尖科学家”。在人才培养方面也取得显著成绩，共计培养20名硕士研究生，多人次获研究生国家奖学金，1人获上海市优秀硕士论文成果奖，其中多人赴海外攻读博士学位（香港大学2人、日本大阪大学1人、日本早稻田大学1人、东京大学1人，京都大学1人，韩国浦项大学1人），目前多名毕业生进入国内高校担任教职。
个人主页：https://chxy.usst.edu.cn/2021/0902/c10587a253533/page.htm
李和兴教授简介：博士，教授、博士生教师，国家自然科学“杰出青年基金”获得者、上海市领军人才。担任Appl. Catal. B Environ.副主编及ACS Appl. Mater. Interface、Catal. Commun.、Current Catal.和Current Green Chem.等编委，上海师范大学-新加坡国立大学-普林斯顿大学国际联合实验室主任、中国光催化专委会副主任、中国环境化学和催化专业委员会委员、上海市稀土学会理事长等，同时在华东师范大学、华东理工大学和上海大学担任兼职博士生导师。1997年于复旦大学获博士学位，1992~1993年在美国进修。长期从事多相催化研究，涉及环境友好非晶态合金催化剂应用于催化加氢、脱氢和其他有机合成反应；负载型金属、有序介孔结构有机金属、固载手性催化剂和有机小分子催化剂应用于清洁介质有机合成以及不对称化学反应；半导体光催化剂应用于光催化水分解制氢、有机污染物降解和重金属离子还原、脱硝和脱汞、CO2转化等。主持国家自然科学杰出青年基金、重点项目和国家自然科学国际合作重点项目、科技部863专项等，发表SCI论文200余篇，其中Nature Commun. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 9篇、Angew. Chem. 3篇、J. Catal. 8篇、Adv. Mater. 1篇、Adv. Funct. Mater. 5篇、Nano Lett. 2篇，主编英文专著2部，应邀为Chem. Sci.和Chem. An Asian J.撰写综述；论文他引5000余次，其中ESI论文7篇；授权专利35件，其中实现转让7件；2006和2012年先后获教育部自然科学一等奖和上海市自然科学二等奖，2015年申报上海自然科学一等奖。
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第 一 作 者 简 介
郝伟举副教授：主要从事催化纳米材料用于催化析氯、析氢、析氧的研究。设计催化电极材料主要围绕过渡金属硼化物、磷化物、合金电催化材料的研究与应用开展。围绕催化材料获上海市自然科学基金面上项目（2023年）、国家青年基金（2022年），上海市科技英才“扬帆计划”（2020年）、苏州大学国家重点实验室开放课题（2022年），“上海理工大学-思学计划（2020年）/志远计划（2023年）/乘风计划（2023年）资助”、“中国博士后基金一等资助”（2018年）等。已开发的高效稳定的合金钛催化电极应用于公司的氯离子氧化处理，同时制备的催化材料，已获中国质量“CMA”认证。当前成果已与“苏州坤泰机械有限公司”“复旦大学军工产业项目”“山东康辉水处理设备有限公司”紧密合作。设计的纳米材料高效催化制氢开展研究，相关成果发表在本领域代表性中科院一区期刊上，包括EnergyEnviron.Sci.,Adv.EnergyMater.,Appl.Catal.BEnviron,JEC,Small,Chem.Eng.J,J.Mater.Chem.A,GreenChem等杂志，近几年以第一作者及通讯作者的身份发表SCI论文40余篇，其中影响因子（IF）大于20的3篇，IF>10的15篇。围绕应用型电极材料，申请发明型专利6项，其中已授权2项。
个人主页：https://chxy.usst.edu.cn/2021/0913/c10587a254567/page.htm
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课 题 组 介 绍
https://chxy.usst.edu.cn/2021/0912/c12641a254466/page.htm
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