【文章信息】
3D互锁阳极催化层界面与空位工程实现超低电压阴离子交换膜电解槽
第一作者：万磊，林董澄
通讯作者：王保国*
单位：清华大学
【研究背景】
阴离子交换膜水电解器（AEMWE）作为一种高效制氢技术，近年来备受关注。然而，传统AEMWE的高工作电压极大地限制了其能源效率的提升。通过在阳极催化层进行界面和空位工程，能有效降低电解电压，从而提升电解效率。本研究聚焦于通过3D互锁结构的阳极催化层进行界面和空位工程，成功实现了AEMWE在低电压下的高效稳定运行。
【文章简介】
近日，来自清华大学的王保国教授团队在国际期刊ACS Nano上发表了题为“Interfacial and Vacancies Engineering on 3D-interlocked Anode Catalyst Layer for Achieving Ultra-low Voltage in Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer”的研究论文。该研究发明一种提升析氧反应（OER）本征活性的技术途径，首次提出采用分层纳米片阵列，由富含氧气空位的CoCrOx纳米片和分散的FeNi分层双氢氧化物（LDH）组成，以调节电子结构并提高电子导电性。CoCrOx/NiFe LDH电极需要205 mV的过电位即可达到100 mA cm−2的电流密度，并在7000小时内在1000 mA cm-2下表现出长期稳定性。值得注意的是，在膜电极组装（MEA）制造中引入了突破性策略，通过将CoCrOx/NiFe LDH转移到AEM表面，形成3D互锁阳极CL，显著降低了整体电池电阻并增强液体/气体质量转移。在AEM水电解中，在1.55 Vcell的电压，1 M KOH的电解液中，实现1.0 A cm−2的电流密度，性能优于最先进的Pt/C//IrO2。为提高阴离子交换膜电解水制氢技术的效率提供了新的思路。
传统粉末催化层膜电极结构及优化后的有序化催化层膜电极结构
【本文要点】
要点一：3D互锁阳极催化层的构建通过设计并构建3D互锁结构的阳极催化层，实现了阳极材料与阴离子交换树脂层的紧密结合，有效提升了催化电极的机械稳定性和电导率。这种互锁结构不仅提高了电极的催化性能，还显著降低了界面电阻。
要点二：界面工程的优化针对传统阳极催化层与电解质之间存在的界面不稳定问题，研究团队通过引入FeNi LDH与CrCoOx异质结的界面工程手段优化了阳极催化层的微观结构，使得电解过程中的电化学反应更加稳定且高效，从而降低了电解器的工作电压，仅需1.55V的槽电压即可达到1A cm-2的电流密度，并且在1M KOH中稳定运行7000小时，没有明显衰减。
要点三：空位工程的应用在阳极催化层中引入合适的空位结构，不仅增加了反应活性位点的数量，还改善了催化层的电子传导性。空位工程的引入有效降低了水解反应的过电位，达到100mA cm-2的电流密度，仅需205mV过电位，进一步提升了电解效率。
要点四：前瞻本研究的成果为未来阴离子交换膜水电解器的设计和优化提供了重要的参考。通过界面和空位工程相结合，设计有序结构膜电极（MEA），AEMWE的能源效率有望得到大幅度提升，从而推动可再生能源制氢技术的广泛应用。未来的研究方向可能包括更广泛的材料筛选和优化，以进一步降低AEMWE的运行成本和提升耐久性。
【文章链接】
Interfacial and Vacancies Engineering on 3D-interlockedAnode Catalyst Layer for Achieving Ultra-low Voltage inAnion Exchange Membrane Water Electrolyzerhttps://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c03668
【通讯作者简介】
王保国教授简介：长期从事膜分离和电化学工程的交叉领域研究，包括AEM电解水制氢、全钒液流电池、锌空气电池相关的离子膜、催化材料与装备技术；揭示电化学能源材料的构效关系，发展电化学能源转换与储能领域的材料、装备与基础理论。在国内外发表学术论文180余篇，学术报告220多次，申请和授权专利29项；主持和承担多项国家“863”、“973”、“国家重点研发计划”、国家自然科学基金等项目；现任北京膜学会理事长、《储能科学与技术》编委会副主任、《膜科学与技术》副主编、中关村储能联盟液流电池专委会副主任委员、能源行业液流电池标委会顾问等职。
【课题组介绍】
研究方向：电化学能源转化与储能开展膜分离和电化学工程的交叉领域科学研究，揭示电化学能源材料（离子传导膜、自支撑催化电极）“化学组成—物理结构-器件性能”之间的构效关系，发展电化学能源转换与储能过程的材料、装备与基础理论。课题组聚焦以下研究方向。1）氢能：AEM电解水制氢技术与装备；2）储能：全钒液流电池（VFB）技术与装备；3）电化学基础：锌空气电池关键材料与技术。
