海南大学邓意达教授、王同洲副教授、李纪红副教授课题组：高效耐腐蚀的硫酸盐辅助镍/铁基“三明治”结构实现长期稳定的碱性水/盐水分解

海南大学邓意达教授、王同洲副教授、李纪红副教授课题组：高效耐腐蚀的硫酸盐辅助镍/铁基“三明治”结构实现长期稳定的碱性水/盐水分解

文章信息：Han Y, Shao L, Liu Y, et al. Sulfate-assisted Ni/Fe-based electrodes for anion exchange membrane saline splitting. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6646-x.

背景介绍

氢能具有高能量密度和零排放的特点，作为一种有前景的化石燃料替代品受到了广泛关注，可以缓解环境污染和能源危机。电化学水分解被认为是一种可持续且有发展前景的绿色氢气(H₂)生产方法，然而其受到阳极缓慢多电子转移的动力学限制。因此，有必要开发具有高催化活性和长期耐用性的OER电极。此外，淡水资源紧缺，海水被认为是一种无限的化学资源，占地球水资源总量的96.5%。海水直接电解不仅可以避免大量使用淡水资源，而且可以产生清洁能源。尽管如此，海水电解过程在阳极方面依然面临着巨大的挑战。海水中的氯离子(~0.5M)会引起析氯反应，腐蚀电极，从而严重降低其使用寿命。然而有研究表明，在碱性条件下，当阳极过电位低于480 mV时，不会发生氯离子的竞争吸附，这就保证了析氧反应的高选择性。此外，以往的研究表明，在阳极引入硫酸盐可以增加活性位点的同时利用静电作用排斥氯离子，进而有效地抵御氯离子的腐蚀，提高整体电解水/海水活性与稳定性。然而，开发高活性、高选择性、耐腐蚀的水/海水电解制氢电极材料仍然是一项艰巨的任务。更重要的是，硫具体提高海水电解催化活性及稳定性的原因尚不清晰。

研究方法

盐水电解是近年来备受关注的一种极具吸引力的制氢方法。镍铁基电极有望成为盐水电解的催化剂。然而，它们存在着析氧反应(OER)使用寿命较差的问题。在此，团队报道了一种由硫酸盐修饰的羟基氧化镍铁(NiFeOOH)作为催化活性层和Fe-Ni₃S₂作为防腐层组成的析氧电极。所开发的电极只需要220和292 mV的过电位就可以分别提供10和500 mA·cm^-2的电流密度。更重要的是，它在1 M KOH下，在500和1000 mA·cm^-2的高电流密度下，表现出超过140 h和100 h的长期稳定性，在100 mA·cm^-2的盐水电解下，表现出120 h的长期稳定性。实验结果表明，生成的硫酸盐对提高稳定性和耐腐蚀性起着不可缺少的作用。团队在工业条件下组装并测试了以Pt/C和NiFeS/NIF分别作为阴极和阳极的阴离子交换膜电解槽。这种整体的水分解电解槽实现了令人印象深刻的75±0.5%的能量转换效率。本研究为稳定的镍铁基电极的设计提供了新的见解，这可能进一步促进其在盐水电解中的实际应用。

本文要点

要点1：提供了一种新颖的高效、稳定、耐腐蚀的材料设计策略

要点2：该阳极材料催化碱性水和盐水电解在1000 mA·cm^-2和100mA·cm^-2的高电流密度下具有出色的长期稳定性。

要点3：阐明了硫的引入可以有效的提高OER活性与稳定性，可以抵抗氯离子腐蚀。

要点4：在工业条件下测视了阴离子交换膜电解槽中全解水性能，组装的电解槽表的能量转换效率达到了75±0.5%

成果简介

在这项工作中，团队提出了一种新的析氧电极(NiFeS/NIF)，该电极由硫酸盐修饰的羟基氧化镍铁作为催化活性层，Fe-Ni₃S₂作为耐腐蚀层组成。即使在高电流密度(例如，1000 mA·cm^-2)下，电极也表现出优异的析氧活性和稳定性。在工业条件下组装并测试了以NiFeS/NIF为阳极的阴离子交换膜电解槽。实验结果表明，电解槽的能量转换效率达到了75±0.5%。

作者简介

王同洲，通讯作者，海南大学材料科学与工程学院副教授，海南省拔尖人才，博士研究生导师。2022年毕业于南开大学，获理学博士学位。主要从事能源转换与催化材料的研究，构建用于电解纯水、海水的高效能源转换器件。主持国家自然科学基金、海南省、重点实验室等项目6项。担任《Carbon Neutralization》青年编委。目前已在Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）, eScience, Adv. Energy Mater., ACS Catal., ACS Nano, Electrochem. Energy Rev.等期刊发表国际高水平期刊论文30余篇，其中以第一或通讯作者身份发表18篇，ESI高被引论文2篇，热点论文1篇，他引2000余次，H-index为27。

李纪红，通讯作者，海南大学材料科学与工程学院副教授。2021年获吉林大学博士学位，同年7月加入海南大学，入选海南省拔尖人才。主要研究方向为能源转换与催化材料、腐蚀电化学。以项目负责人身份主持国家自然科学基金、海南省高层次人才、重点实验室等科研项目6项。担任温州大学与Wiley出版社合办的高质量期刊《Carbon Neutralization》青年编委。目前以第一/通讯作者身份在Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Electrochem. Energy Rev., Appl. Catal., B, J. Mater. Chem. A, Mater. Today Energy等期刊发表论文10篇，总影响因子大于100；获国家发明专利授权2项。

邓意达，通讯作者，海南大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向为材料电化学与功能应用方面的研究。近5年以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等材料领域高水平期刊发表SCI论文50余篇，以第一发明人申请国家发明专利19项，已获授权6项，转让专利1项，合作出版中英文学术著作2部。