中南林科大吳義強教授、卿彥教授AM：新型多孔催化劑，實現耐久性工業級水電解

隨著全球能源結構向低碳化轉型，氫氣作為清潔能源載體扮演著關鍵角色。利用可再生能源進行電催化水分解，被視為可持續生產高純氫氣的理想途徑。其中，陰離子交換膜（AEM）水電解技術結合了堿性電解的低成本與質子交換膜電解的高效率優勢，但大規模應用仍受限于缺乏高活性、高耐久性且成本低廉的非貴金屬催化劑。尤其是在工業級高電流密度、高溫及長期運行條件下，現有催化劑往往活性位點利用率低、穩定性不足，制約了其商業化進程。

近日，中南林業科技大學吳義強教授、卿彥教授和倫敦大學學院何冠杰教授合作提出了一種創新的膠體介導化學鍍（CMEP）策略，在常溫常壓下成功制備出具有分級多孔結構的非晶態鐵摻雜鎳鎢硼（Fe-NiWB）催化劑。該催化劑展現出卓越的雙功能催化活性與超長穩定性，在堿性環境中進行氫析出反應（HER）和氧析出反應（OER）時，可在500 mA cm?2的工業電流密度下穩定運行超過2000小時而無明顯衰減。將其應用于AEM電解槽，僅需1.55 V槽壓即可實現500 mA cm?2的產氫電流密度。初步技術經濟分析表明，該技術路線具有顯著的規?；c成本競爭力，為實現經濟可行的大規模綠色制氫帶來了新希望。相關論文以“Colloid-Mediated Synthesis of Hierarchically Porous Amorphous Catalyst for Durable Industrial-Scale Water Electrolysis”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先通過示意圖對比了傳統化學鍍與CMEP方法的差異。傳統方法易形成致密結構，活性位點少；而CMEP利用原位生成的Fe-W-O膠體粒子，有效抑制了致密層的生長，最終在具有垂直排列通道的純化木材骨架上，沉積出具有開放多孔結構的均勻催化劑涂層。這種獨特的結構賦予了電極高活性表面積、優異的傳質能力以及與基底牢固的結合力。

圖1：合成與結構表征。 a, b) 通過傳統化學鍍和膠體介導化學鍍制備電催化劑的工藝示意圖。c, d) Fe-NiWB/PW的SEM圖像。e) 與不具備定向微通道的商業泡沫鎳和碳紙相比，PW骨架在構建電極材料時具有高活性表面積、低成本、高效傳質行為、出色的效率、可擴展性和普適性。

進一步的形態表征揭示，鐵元素的引入對催化劑結構起到了關鍵調控作用。無鐵的NiWB樣品表面相對平滑，而Fe-NiWB則形成了由多孔納米球與納米片互連構成的分級多孔納米片結構。元素分布圖證實了鐵、鎳、鎢、硼在催化劑層中均勻分布。氮氣吸脫附測試表明，Fe-NiWB的比表面積約為NiWB的四倍，這得益于Fe-W-O膠體誘導形成的介孔-大孔網絡。多種光譜學分析共同證實了催化劑的非晶態特性，并表明鐵的成功摻入調節了鎳的局部配位環境與電子結構，為高催化活性創造了有利條件。

圖2：形態表征。 a) TEM圖像，b) HRTEM圖像（插圖為SAED衍射圖），c) NiWB的AFM圖像。d) TEM圖像，e) HRTEM圖像（插圖為SAED衍射圖），f) AFM圖像，g) Fe-NiWB的EDS元素分布圖。

電化學性能測試結果令人矚目。在堿性電解液中，Fe-NiWB/PW電極對HER和OER均表現出優異的活性和動力學。其達到10和500 mA cm?2電流密度所需的過電勢遠低于對比樣品，甚至媲美或優于貴金屬基準催化劑。塔菲爾斜率和電化學阻抗譜分析表明該電極具有更快的反應動力學和更低的電荷轉移電阻。尤為突出的是，在長達2000小時的恒電流測試中，電極電位幾乎無衰減，展現了非凡的長期運行穩定性。

圖3：樣品在1.0 M KOH中的電催化水分解性能。 a) HER和b) OER極化曲線。c) Fe-NiWB/PW用于HER和OER的多步計時電位法測試（未進行IR校正）和d) 長期計時電位法測試。e) 在10 mA cm?2過電勢與近期報道的參考文獻對比。

為深入理解性能提升的機理，研究團隊進行了詳盡的機理研究。原位拉曼光譜等分析發現，在OER過程中，Fe的摻入顯著促進了電極表面在更低電位下重構為高活性的(Fe)NiOOH相，這是其OER活性增強的關鍵。對于HER，理論計算結合實驗表明，Fe位點能更有效地吸附并解離水分子，優化氫中間體的吸附自由能，從而加速了整個HER過程。此外，電極獨特的分級多孔結構及其超親水性，確保了電解質的快速滲透和生成氣泡的迅速脫附，避免了活性位點被阻塞，這是其在高電流密度下保持高性能的重要保障。

圖4：結構演變與傳質行為分析。 a) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 OER 過程中的循環伏安曲線（掃描速率：1 mV s?1，未進行 iR 補償）。b) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 OER 過程中的原位拉曼光譜。c) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 HER 過程中的原位波特圖。d) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 HER 過程中的原位拉曼光譜。e, f) 在不同電流密度下進行計時電位法測試時，使用高速相機拍攝的 Fe-NiWB/PW 和 Pt/C/NF 表面釋放氫氣氣泡的圖像。

圖5：理論研究。 a) Fe-NiWB的電荷密度差分圖。b) 水吸附和解離路徑在NiWB、Fe-NiWB（Ni位點）和Fe-NiWB（Fe位點）上的動力學能壘。c) 氫吸附自由能在NiWB、Fe-NiWB（Ni位點）和Fe-NiWB（Fe位點）上的計算值。d) NiOOH/NiWB和Fe-NiOOH/NiWB的態密度分析。e) OER在NiOOH/NiWB和(Fe)NiOOH/NiWB上的吉布斯自由能圖。f) Fe-NiWB在1.0 M KOH電解液中于HER和OER過程中的真實物相與活性位點示意圖。

基于單電極的優異表現，研究團隊構建了以Fe-NiWB/PW同時作為陰極和陽極的AEM電解槽。該電解槽在1.0 M KOH中達到500 mA cm?2僅需1.55 V槽壓，性能優于商業Pt/C||RuO?體系，并表現出接近100%的法拉第效率。即使在模擬海水電解的堿性鹽水電解質中，也展現了良好的活性和超過2000小時的穩定性。技術經濟分析預測，采用該技術的理想化1 MW規模AEM制氫工廠，平準化制氫成本可低至1.74美元/千克氫氣，已低于美國能源部設定的2026年目標，凸顯了其巨大的經濟潛力。

圖6：水分解應用與成本分析。 a) 示意圖和b) 陰離子交換膜電解槽實物圖。c) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW在1.0 M KOH和1.0 M KOH海水中的LSV曲線，并與Pt/C||RuO?對比。d) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW分別在1.0 M KOH和1.0 M KOH海水中于100、500和1000 mA cm?2下的電解槽電壓。e) Fe-NiWB/PW的法拉第效率和氣體產量。f) Fe-NiWB/PW與已報道催化劑的全水解性能對比。g) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW的計時電位曲線。h) 工廠操作電流密度與槽壓依賴關系，以及i) 基于理想1 MW AEM工廠的氫氣平準化生產成本敏感性分析。

這項研究不僅通過CMEP策略成功研制出一種高性能、長壽命、低成本的雙功能電解水催化劑，為工業級綠色制氫提供了極具前景的材料解決方案，更重要的是，它揭示了通過調控非晶態材料的局域環境與多孔結構來協同優化催化活性、穩定性和傳質過程的可行路徑。該工作深化了對催化劑構效關系的理解，所開發的合成方法具備簡便、易擴展的優勢，為設計下一代大規模電催化劑、推動可持續氫能經濟發展奠定了堅實的技術基礎。