中南林科大吴义强教授、卿彦教授AM：新型多孔催化剂，实现耐久性工业级水电解

随着全球能源结构向低碳化转型，氢气作为清洁能源载体扮演着关键角色。利用可再生能源进行电催化水分解，被视为可持续生产高纯氢气的理想途径。其中，阴离子交换膜（AEM）水电解技术结合了碱性电解的低成本与质子交换膜电解的高效率优势，但大规模应用仍受限于缺乏高活性、高耐久性且成本低廉的非贵金属催化剂。尤其是在工业级高电流密度、高温及长期运行条件下，现有催化剂往往活性位点利用率低、稳定性不足，制约了其商业化进程。

近日，中南林业科技大学吴义强教授、卿彦教授和伦敦大学学院何冠杰教授合作提出了一种创新的胶体介导化学镀（CMEP）策略，在常温常压下成功制备出具有分级多孔结构的非晶态铁掺杂镍钨硼（Fe-NiWB）催化剂。该催化剂展现出卓越的双功能催化活性与超长稳定性，在碱性环境中进行氢析出反应（HER）和氧析出反应（OER）时，可在500 mA cm⁻²的工业电流密度下稳定运行超过2000小时而无明显衰减。将其应用于AEM电解槽，仅需1.55 V槽压即可实现500 mA cm⁻²的产氢电流密度。初步技术经济分析表明，该技术路线具有显著的规模化与成本竞争力，为实现经济可行的大规模绿色制氢带来了新希望。相关论文以“Colloid-Mediated Synthesis of Hierarchically Porous Amorphous Catalyst for Durable Industrial-Scale Water Electrolysis”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先通过示意图对比了传统化学镀与CMEP方法的差异。传统方法易形成致密结构，活性位点少；而CMEP利用原位生成的Fe-W-O胶体粒子，有效抑制了致密层的生长，最终在具有垂直排列通道的纯化木材骨架上，沉积出具有开放多孔结构的均匀催化剂涂层。这种独特的结构赋予了电极高活性表面积、优异的传质能力以及与基底牢固的结合力。

图1：合成与结构表征。 a, b) 通过传统化学镀和胶体介导化学镀制备电催化剂的工艺示意图。c, d) Fe-NiWB/PW的SEM图像。e) 与不具备定向微通道的商业泡沫镍和碳纸相比，PW骨架在构建电极材料时具有高活性表面积、低成本、高效传质行为、出色的效率、可扩展性和普适性。

进一步的形态表征揭示，铁元素的引入对催化剂结构起到了关键调控作用。无铁的NiWB样品表面相对平滑，而Fe-NiWB则形成了由多孔纳米球与纳米片互连构成的分级多孔纳米片结构。元素分布图证实了铁、镍、钨、硼在催化剂层中均匀分布。氮气吸脱附测试表明，Fe-NiWB的比表面积约为NiWB的四倍，这得益于Fe-W-O胶体诱导形成的介孔-大孔网络。多种光谱学分析共同证实了催化剂的非晶态特性，并表明铁的成功掺入调节了镍的局部配位环境与电子结构，为高催化活性创造了有利条件。

图2：形态表征。 a) TEM图像，b) HRTEM图像（插图为SAED衍射图），c) NiWB的AFM图像。d) TEM图像，e) HRTEM图像（插图为SAED衍射图），f) AFM图像，g) Fe-NiWB的EDS元素分布图。

电化学性能测试结果令人瞩目。在碱性电解液中，Fe-NiWB/PW电极对HER和OER均表现出优异的活性和动力学。其达到10和500 mA cm⁻²电流密度所需的过电势远低于对比样品，甚至媲美或优于贵金属基准催化剂。塔菲尔斜率和电化学阻抗谱分析表明该电极具有更快的反应动力学和更低的电荷转移电阻。尤为突出的是，在长达2000小时的恒电流测试中，电极电位几乎无衰减，展现了非凡的长期运行稳定性。

图3：样品在1.0 M KOH中的电催化水分解性能。 a) HER和b) OER极化曲线。c) Fe-NiWB/PW用于HER和OER的多步计时电位法测试（未进行IR校正）和d) 长期计时电位法测试。e) 在10 mA cm⁻²过电势与近期报道的参考文献对比。

为深入理解性能提升的机理，研究团队进行了详尽的机理研究。原位拉曼光谱等分析发现，在OER过程中，Fe的掺入显著促进了电极表面在更低电位下重构为高活性的(Fe)NiOOH相，这是其OER活性增强的关键。对于HER，理论计算结合实验表明，Fe位点能更有效地吸附并解离水分子，优化氢中间体的吸附自由能，从而加速了整个HER过程。此外，电极独特的分级多孔结构及其超亲水性，确保了电解质的快速渗透和生成气泡的迅速脱附，避免了活性位点被阻塞，这是其在高电流密度下保持高性能的重要保障。

图4：结构演变与传质行为分析。 a) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 OER 过程中的循环伏安曲线（扫描速率：1 mV s⁻¹，未进行 iR 补偿）。b) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 OER 过程中的原位拉曼光谱。c) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 HER 过程中的原位波特图。d) NiWB/PW 和 Fe-NiWB/PW 在 HER 过程中的原位拉曼光谱。e, f) 在不同电流密度下进行计时电位法测试时，使用高速相机拍摄的 Fe-NiWB/PW 和 Pt/C/NF 表面释放氢气气泡的图像。

图5：理论研究。 a) Fe-NiWB的电荷密度差分图。b) 水吸附和解离路径在NiWB、Fe-NiWB（Ni位点）和Fe-NiWB（Fe位点）上的动力学能垒。c) 氢吸附自由能在NiWB、Fe-NiWB（Ni位点）和Fe-NiWB（Fe位点）上的计算值。d) NiOOH/NiWB和Fe-NiOOH/NiWB的态密度分析。e) OER在NiOOH/NiWB和(Fe)NiOOH/NiWB上的吉布斯自由能图。f) Fe-NiWB在1.0 M KOH电解液中于HER和OER过程中的真实物相与活性位点示意图。

基于单电极的优异表现，研究团队构建了以Fe-NiWB/PW同时作为阴极和阳极的AEM电解槽。该电解槽在1.0 M KOH中达到500 mA cm⁻²仅需1.55 V槽压，性能优于商业Pt/C||RuO₂体系，并表现出接近100%的法拉第效率。即使在模拟海水电解的碱性盐水电解质中，也展现了良好的活性和超过2000小时的稳定性。技术经济分析预测，采用该技术的理想化1 MW规模AEM制氢工厂，平准化制氢成本可低至1.74美元/千克氢气，已低于美国能源部设定的2026年目标，凸显了其巨大的经济潜力。

图6：水分解应用与成本分析。 a) 示意图和b) 阴离子交换膜电解槽实物图。c) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW在1.0 M KOH和1.0 M KOH海水中的LSV曲线，并与Pt/C||RuO₂对比。d) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW分别在1.0 M KOH和1.0 M KOH海水中于100、500和1000 mA cm⁻²下的电解槽电压。e) Fe-NiWB/PW的法拉第效率和气体产量。f) Fe-NiWB/PW与已报道催化剂的全水解性能对比。g) Fe-NiWB/PW||Fe-NiWB/PW的计时电位曲线。h) 工厂操作电流密度与槽压依赖关系，以及i) 基于理想1 MW AEM工厂的氢气平准化生产成本敏感性分析。

这项研究不仅通过CMEP策略成功研制出一种高性能、长寿命、低成本的双功能电解水催化剂，为工业级绿色制氢提供了极具前景的材料解决方案，更重要的是，它揭示了通过调控非晶态材料的局域环境与多孔结构来协同优化催化活性、稳定性和传质过程的可行路径。该工作深化了对催化剂构效关系的理解，所开发的合成方法具备简便、易扩展的优势，为设计下一代大规模电催化剂、推动可持续氢能经济发展奠定了坚实的技术基础。