西湖大学电解水制氢催化剂新突破
在“双碳”背景下，电解水制氢作为实现能源转型的关键技术之一，备受关注。其中，阴离子交换膜电解水制氢(AEM-WE)因其结合了碱性电解水制氢(AWE)和质子交换膜电解水制氢(PEM-WE)的优点，被认为是最具潜力实现低成本、高效率制绿氢的工艺。然而，AEM-WE技术的大规模工业化进程一直受制于电极材料难以在大电流密度下长期稳定运行的问题，尤其是涉及氧气析出反应(OER)的阳极侧催化剂材料。
西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心教授孙立成团队开发了一种新型非贵金属催化剂CAPist-L1的制备工艺，即向溶液中人为引入不溶纳米颗粒，在常温、常压条件下通过简单浸泡法，一步合成非贵金属催化剂——CAPist-L1。
研究团队利用金属无机盐在水中和有机试剂中的溶解度差异，将硝酸镍的异丙醇溶液和硫酸亚铁的水溶液混合，得到含丰富纳米颗粒的非均匀液相体系。进一步地，在这一体系中没入泡沫镍，在常温、常压条件下浸泡24小时，即可获得CAPist-L1催化剂。
CAPist-L1的制备过程简易、成本低廉、可重复度高且易放大化制备，是一种含镍铁金属、硫酸根、氢氧根和水分子的层状双金属氢氧化物(LDH)结构。通过电化学分析，CAPist-L1在1000 mA cm-2的电流密度下过电位仅为220±4.5 mV，低于常规的NiFe-LDH催化剂和商业化IrO2催化剂。更为关键的是，CAPist-L1在1000 mA cm-2电流密度下可稳定运行超过19000小时，展现出极高的电化学稳定性和催化效率。
CAPist-L1的高活性和高稳定性主要源自于一层致密过渡层的存在。这层过渡层介于催化剂层和金属基底之间，将催化剂层牢牢地锚定在金属基底上，不仅大大增强了催化剂整体的机械稳定性，还降低了催化结构与基底的接触阻抗，从而整体提升了催化剂的活性和稳定性。研究团队发现，过渡层并非在CAPist-L1形成初期产生，而是在浸泡4小时后才开始缓慢出现，这一发现为理解催化剂的生长机制提供了重要线索。
CAPist-L1在1000 mA cm^-2的电流密度下已稳定运行超过19000小时，至今还未出现衰退的迹象。此外，研究团队将CAPist-L1作为阳极催化剂应用于阴离子交换膜电解水制氢中，展现出优秀的制氢活性，即在1.8 伏的电压下达到2000 mA cm^-2的电流密度。这意味着阴离子交换膜电解水制氢技术的短板终于被补上了，研究为高效制造绿色氢气提供了可能。
相关研究成果Seed-assisted formation of NiFe anode catalysts for anion exchange membrane water electrolysis at industrial-scale current density于近日发表在《自然—催化Nature Catalysis》。
