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《解决碱性水电解难题,推动绿色氢能发展》

已有 160 次阅读 2026-3-10 14:55 |个人分类:封面故事|系统分类:论文交流

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在大规模绿色氢气生产中,碱性水电解(AWE)技术至关重要。它能利用可再生能源将水分解制取氢气,是实现清洁能源转型的关键一环。然而,现实中可再生能源具有波动性,这就导致碱性水电解过程中频繁的停机,产生反向电流效应,严重影响电极的耐久性,成为制约该技术大规模应用的一大障碍。为了解决这一难题,科研人员采用了一种梯度夹层工程策略来开发新型电极。他们构建了一个含有Ni(112̅)/Ni3S2(1̅20)异质界面的致密夹层。这种独特的结构让电极展现出卓越的性能。首先,它具有高催化活性,在1000 mA cm–2的电流密度下仅需1.79 V的电压,达到了美国能源部2026年的目标。其次,电极的稳定性极佳,在80°C的30 wt % KOH溶液中,以1000 mA cm–2的电流密度连续运行超过1500小时。更重要的是,它具有出色的反向电流抗性,能承受3600次加速启停循环。通过横截面表征和理论计算的机理研究发现,催化剂与基底界面的无缝夹层发挥了关键作用。它增强了界面的粘附力,减轻了晶格失配,促进了电荷的重新分布。即使在运行应力和电位反转的情况下,也能确保电极的稳定性和完整性。这项研究为设计耐用电极提供了新的思路,有望解决稳定性和活性之间的矛盾,推动与波动可再生能源相匹配的工业级电解槽的发展。

期刊

JACS

标题

Heterointerface-Enabled Anti-Reverse-Current Electrodes for Alkaline Water Electrolyzers at 1000 mA cm–2

作者

Wenjun He, Yueshuai Wang, Yilong Zhao, Cheng Tangt, Linchuan Cong, ChangliWang, Yue Lu, Xin Liu, Juncai Dong, Serhiy Cherevko, Qingsong Hua, and Qiang Zhang

摘要

Achieving stable and efficient alkaline water electrolysis (AWE) under fluctuating renewable energy inputs is essential for large-scale green hydrogen production. However, frequent shutdown-induced reverse current (RC) effects pose significant challenges to electrode durability. Here, we introduce a gradient interlayer engineering strategy to develop robust AWE electrodes that intrinsically resist both electrochemical reconstruction and mechanical fatigue. By constructing a dense interlayer with Ni(112̅)/Ni3S2(1̅20) heterointerfaces, the electrode demonstrates high catalytic activity (1.79 V @1000 mA cm–2─meeting the U.S. DOE 2026 target), excellent operational stability (>1500 h at 1000 mA cm–2 in 30 wt % KOH at 80 °C), and exceptional RC resistance for 3600 accelerated startup/shutdown cycles. Mechanistic studies through cross-sectional characterizations and theoretical calculations reveal that the seamless interlayer at the catalyst–substrate interface enhances interfacial adhesion, mitigates lattice mismatch, and facilitates charge redistribution, ensuring robust stability and integrity even under operational strains and potential reversals. This work establishes interface crystallography as a design paradigm for durable electrodes, potentially overcoming the stability–activity dilemma toward industrially relevant electrolyzers coupled with fluctuating renewable energy sources.

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c17603

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