鉴于全球范围内对绿色氢气需求的日益增长，水电解技术的进步显得愈发关键。在众多技术中，阴离子交换膜水电解（AEM-WE）技术凭借其潜在的低成本与高效率优势，吸引了广泛关注。然而，当前AEM-WE技术在应对高电流密度挑战时，遭遇了催化剂活性受限及使用寿命较短的难题。为了加速AEM-WE技术的工业化进程，开发一种能在安培级电流密度下稳定运行且高效促进阳极氧化反应（OER）的电催化剂，成为了当务之急。
成果介绍
本文介绍了一种创新的一步式种子辅助异质成核策略，成功合成了具有高稳定性和卓越活性的NiFe基OER电催化剂（命名为CAPist-L1）。该催化剂在1M KOH电解质溶液中，展现出非凡的稳定性，能够在1000 mA cm⁻²的电流密度下连续稳定运行超过15,200小时。此外，在2.0V的电位下，其活性高达7,350 mA cm⁻²。这一突破性成果不仅彰显了CAPist-L1催化剂的卓越性能，也标志着阴离子交换膜水电解（AEM-WE）技术向工业化应用迈出了重要的一步。
研究亮点
1.创新的种子诱导异质成核技术
利用种子诱导的异质成核机制，该技术成功构建了一个致密的中间层，这一中间层极大地增强了催化剂层与基底之间的粘附力，从而显著提升了催化剂的机械稳固性。
2.出色的OER催化效能
CAPist-L1催化剂在高电流密度条件下，展现出了超越传统NiFe-LDH和IrO₂催化剂的氧气析出反应活性，其性能尤为突出。
3.卓越的长期运行稳定性
在经受1000 mA cm⁻²的高电流密度测试时，CAPist-L1催化剂能够持续稳定工作超过15,200小时，充分证明了其非凡的耐用性。
4.广泛的工业应用潜力
通过在1 cm²至25 cm²不同电极面积上的性能测试，CAPist-L1催化剂展现出了良好的规模扩展性，为其在阴离子交换膜水电解（AEM-WE）系统中的实际应用奠定了坚实基础。
配图精析
图示1：CAPist-L1 OER催化剂的制备流程概览
图示1详细描绘了CAPist-L1催化剂的精心制备过程。此过程起始于将商用镍泡沫（NF）浸入特制的NiFe纳米颗粒异质成核溶液中。在此环节中，NiFe纳米颗粒被诱导在NF表面吸附并初步形成晶核，这些晶核随后发展成为结构致密且催化效率高的OER催化剂。图示还包含了纳米颗粒的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，清晰地显示出其平均直径为1.57±0.49纳米。此外，还展示了CAPist-L1泡沫的实物照片以及通过X射线衍射（XRD）技术获得的图谱，进一步揭示了其物质结构和组成。
图示2：CAPist-L1在1M KOH电解质中的OER性能对比分析
图示2直观地对比了CAPist-L1、NiFe-LDH以及IrO₂三种催化剂在不同电流密度下的极化曲线以及关键的氧气析出反应（OER）性能指标。结果显示，CAPist-L1在达到1000 mA cm⁻²的电流密度时，所需的过电位仅为220±4.5毫伏，这一数值明显低于NiFe-LDH和IrO₂，凸显了CAPist-L1卓越的催化活性。此外，针对CAPist-L1的长期耐久性测试进一步表明，该催化剂能够在1000 mA cm⁻²的电流密度下持续稳定运行超过15,200小时，展现了其出色的稳定性和耐用性。
图3: CAPist-L1的中间层结构观察。
图3展示了CAPist-L1催化剂层与NF基底之间的中间层结构。通过截面SEM图像，可以清晰地看到与NiFe-LDH相比，CAPist-L1具有更为致密的中间层，增强了催化剂的机械稳定性。此外，不同浸泡时间下的截面SEM图像展示了中间层的形成和生长过程。
图示4：CAPist-L1//Ni4Mo/MoO₂ AEM-WE电解槽的性能评估
图示4详细展示了采用CAPist-L1作为阳极催化剂的AEM-WE电解槽在不同操作温度下的极化特性及稳定性测试结果。具体而言，在80°C的工作温度下，1 cm²面积的电解槽在2.0V的电位下成功实现了7,350 mA cm⁻²的高电流密度，这一性能显著优于采用NiFe-LDH和IrO₂作为催化剂的系统。此外，通过对25 cm²面积电解槽的测试，进一步验证了CAPist-L1催化剂具有良好的尺寸扩展能力，预示着其在工业级应用中的巨大潜力。
通过采用创新的种子诱导异质成核方法，CAPist-L1催化剂展现出了非凡的氧气析出反应（OER）活性和长期的稳定性，预示着其在多个应用领域中的巨大潜力。这一突破性成果不仅加速了阴离子交换膜水电解（AEM-WE）技术的进步，而且为探索和开发其他高性能电催化剂开辟了新的路径。通过持续优化催化剂的结构设计以及反应条件，我们有望见证更加高效的水电解制氢技术的诞生，从而为全球绿色能源转型提供坚实的技术支撑和动力。
原文标题：Seed-assisted formation of NiFe anode catalysts for anion exchange membrane water electrolysis at industrial-scale current density
期刊：Nature Catalysis
DOI: 10.1038/s41929-024-01209-1
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41929-024-01209-1
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