我校李晋平教授团队刘光教授课题组在阴离子交换膜电解水制氢领域取得重要研究进展

近日，我校化学工程与技术学院李晋平教授团队刘光教授课题组在阴离子交换膜电解水（AEMWE）制氢领域取得重要进展，该成果以研究论文的形式发表在国际顶尖期刊《Nature Communications》。该论文的第一署名单位为太原理工大学，论文的共同第一作者为太原理工大学2020级博士研究生姚瑞和福州大学孙凯安博士，通讯作者为我校化学工程与技术学院刘光教授、怀柔实验室山西研究院孙予罕研究员和太原理工大学、怀柔实验室山西研究院李晋平教授。

随着节能减排和发展可再生能源理念的不断深入，氢能作为一种清洁高效的能源受到越来越多地关注。在碳中和背景下积极倡导绿色清洁制氢，而利用太阳能、风能等可再生能源驱动的AEMWE制氢技术，兼具低成本的材料体系和灵活的动态响应特性，是极具应用前景的实现廉价、高效、规模化绿氢制取途径之一。

然而，工业水电解必须承受苛刻的条件，如高电流密度下的快速的电荷/电子转移、强大的机械稳定性、气泡动力学和过度的中间吸附或覆盖等问题。从本质上讲，大电流密度下加速电解水反应动力学和提高其机械稳定性是开发用于AEMWE制氢电催化剂的一个重要瓶颈。

钌（Ru）因与铂（Pt）相当的水分解能垒、氢键强度及合理的价格，有望代替贵金属Pt基催化剂用于AEMWE制氢技术。然而，水分解的OH中间体在Ru上的强吸附，特别是大电流密度下快速的水分解过程往往导致OH中间体在Ru位点的过度覆盖。因此，合理调节Ru的OH吸附环境是促进AEMWE工业级电流密度下的持续产氢的有效手段。

针对上述问题，该课题组另辟蹊径，创造性地开发了一种环境友好的单极脉冲电沉积（UPED）技术，整个程序耗时不到3 h，将超小的Ru纳米颗粒（2 nm）与锚定在缺陷碳的镍单原子（Ni_SAs）耦合，获得了一种高效的UP-RuNi_SAs/C阴极产氢催化材料。该材料中的Ni_SAs与Ru纳米颗粒对OH中间体的竞争吸附，保证了其在大电流密度下仍能高效、稳定产氢，其中碳桥作为媒介实现了Ni和Ru位点之间的物种传输和相互作用。

图1 UP-RuNi_SAs/C水分解产氢机理图

图2 UP-RuNi_SAs/C材料的结构表征图

在1.0 M KOH中，在10 mA cm^-2和1000 mA cm^-2下分别表现出9 mV和253 mV的低过电势。此外，在3000 mA cm^-2的更高电流密度下保持稳定100 h活性没有显著下降。将该UP-RuNi_SAs/C催化剂作为阴极组装的AEMWE电解槽装置在1 A cm^-2的电流密度下显示出仅1.95 V的槽压，且目前已经稳定运行6300多个小时，仍在稳定运行测试。

图3 UP-RuNi_SAs/C作为阴极的水分解性能测试

图4 UP-RuNi_SAs/C用于AEM电解槽测试性能

除UP-RuNi_SAs/C阴极材料外，该构筑单原子-纳米颗粒的单极脉冲策略已经推广到了Ru基Co、Fe、Mn、Cu、Cr、Zn单原子催化剂以及Ni基贵金属Pt、Au、Ir、Ru单原子催化剂并申请相应中国发明专利（CN202310319494.9、CN202310319752.3）。依托廉价、高效AEMWE制氢用电极的批量化一致性制备技术及AEMWE制氢的研究成果，未来我们将进一步优化材料制备及性能优化工艺，扩大AEMWE电解水制氢的规模化制备技术，进一步降低成本和能耗，有望为推进AEMWE制氢的商业化应用提供重要的技术借鉴。

该论文在研究过程中得到了清华大学陈晨教授的指导，同时该工作得到了国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目（U22A20418）、面上项目（22075196、21878204）以及山西省回国留学人员科研资助项目（2022-050）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46553-9