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Transient-Promoter-Stabilized NiFe Oxyhydroxide EnablesDurable kW-Scale Water Splitting Under Fluctuating Power
Doi:10.1002/anie.202520825
在全球向可再生能源转型的大背景下，绿氢被视为实现碳中和的关键能源载体。然而，当前大多数电解水制氢系统依赖稳定的电网供电，而电网本身仍含有较高的碳足迹。若能将电解槽直接与波动的可再生能源（如太阳能、风能）耦合，则有望实现真正的零碳制氢。但这带来了一个严峻挑战：电解槽的核心组件，尤其是阳极的析氧反应（OER）催化剂，能否在频繁启停、功率剧烈波动的极端条件下长期稳定工作？
近日，一项突破性研究提出了一种 “瞬态促进剂”策略 ，成功制备出具有超高稳定性的 NiFe 羟基氧化物催化剂 ，并基于此构建了可在波动功率下直接运行的千瓦级阴离子交换膜水电解槽（AEMWE），无需电池缓冲，为实现分布式、离网式绿氢生产提供了可行的技术方案。
研究背景
波动电力下的电解水困境
电网依赖与碳足迹：当前电解水制氢多依赖电网，间接导致碳排放。波动性挑战：可再生能源出力不稳定，直接耦合会导致电解槽承受剧烈的电化学与机械应力，催化剂易失活。现有技术局限：碱性电解槽（AWE）：动态响应慢，效率较低。质子交换膜电解槽（PEMWE）：依赖贵金属催化剂，成本高且在波动条件下易溶解。阴离子交换膜电解槽（AEMWE）：结合了非贵金属催化剂和较高效率的优势，是理想选择，但其阳极OER催化剂的长期稳定性仍是瓶颈。
创新点
Cr作为“瞬态促进剂”的三重角色
该研究巧妙地在NiFe氧化物中引入铬（Cr），发现Cr在催化剂中扮演了三重关键角色，而不仅仅是传统意义上的掺杂元素：
电子结构调控者：调节Ni/Fe的氧化态，促进高活性羟基氧化物（NiFeOOH）的形成。
结构造孔剂：创造高孔隙率结构，提升电解质渗透和传质能力。
牺牲性保护者：在反应过程中优先浸出，像“护盾”一样保护Ni/Fe活性位点免于溶解，最终留下稳定的NiFeOOH骨架。
这种 “先促进，后牺牲，留稳定” 的动态过程，是催化剂在波动条件下实现超长寿命的核心。
图文解析
从机理到性能的全景展示
图1：千瓦级绿氢生产愿景与催化剂筛选
a-b：展示了离网式可再生能源直接驱动AEMWE生产绿氢的构想，以及研究团队搭建的千瓦级电解堆实物。c：在众多Ni-X二元氧化物中，经过5000次循环后，NiFe氧化物的稳定性最为突出。d：在NiFe中引入Cr形成的Ni₃Fe₁.₂Cr₀.₈Oₓ三元催化剂，其OER活性显著优于二元NiFe及其他对照样。
结论：Cr的引入是提升NiFe催化剂性能的关键。
图2：催化剂结构与电子态表征
a：XRD显示催化剂以NiO相为主，Cr的引入导致衍射峰右移和宽化，表明晶格收缩和结构无序度增加。b-d：TEM和元素分布图显示催化剂为5-10 nm的纳米颗粒，且Cr元素均匀分布。e-g：XPS谱图显示，Cr引入后，Ni 2p和Fe 2p的结合能发生正向位移（蓝移），表明Ni/Fe的有效正电荷增加，处于更高价态。O 1s谱中M–OH峰强度显著增强，证实了活性羟基氧化物相的形成。
结论：Cr通过电子相互作用，诱导形成了更多高活性的NiFeOOH物种。
图3：表面演化与Cr的牺牲性浸出机制
a-d：OER反应前后的XPS对比显示，Ni和Fe的结合能进一步正移（氧化态升高），而Cr的信号在反应后完全消失。O 1s谱中M–OH峰进一步增强。e：示意图清晰地阐明了机理——在OER过程中，表面的Cr优先与OH⁻结合并牺牲性浸出，这一过程保护了Ni/Fe活性位点，并促进了稳定NiFeOOH骨架的形成。ICP-OES数据也证实了Cr的高浸出率。
结论：Cr的牺牲性浸出是催化剂获得超长稳定性的核心机制。
图4：Operando光谱揭示界面反应机制
a：ATR-SEIRAS谱图中在~1240 cm⁻¹处出现的峰归属于关键中间体*OOH，证实了吸附演化机制（AEM）。b：随着电位升高，界面H₂O⁺峰（~3620 cm⁻¹）向*OH峰（~3380 cm⁻¹）移动，表明界面局部pH值升高，OH⁻浓度增加。c：示意图总结：Cr的掺入与浸出创造了多孔结构，促进了OH⁻向催化剂内部的渗透，从而提升了反应动力学。
结论：Cr诱导的多孔结构优化了反应界面环境，提升了本征活性。
图5：实验室规模AEMWE的卓越性能
a-b：1 cm²单电池在80°C、1 M KOH中达到1 A cm⁻² @ 1.68 V的工业级性能。c：在恒定1 A cm⁻²电流密度下稳定运行超过30天，电压衰减率极低（0.25 mV h⁻¹）。d：即使在0.5-1 A cm⁻²之间动态波动的苛刻条件下，电池依然稳定运行30天，展现了强大的抗波动能力。
结论：催化剂在真实电解槽环境和波动工况下均表现出优异的活性和稳定性。
图6：千瓦级电解堆的放大与动态运行
a-c：展示了从催化剂大面积喷涂、膜电极制备到组装成8电堆、总活性面积512 cm²的千瓦级系统过程。该电堆在60°C下达到峰值功率2.5 kW，并实现1 A cm⁻² @ 1.78 V/cell的高性能。d-f：电堆成功承受了13个模拟太阳能波动周期（>50小时） 的测试。即使在测试中人为引入突然断电，系统也能迅速恢复且性能无损，展现了其应对极端间歇性电源的强大韧性。
结论：实验室的卓越性能成功放大至千瓦级工程系统，并验证了其与波动可再生能源直接集成的可行性。
总结与展望
该研究提出并验证了 “瞬态促进剂”策略，通过引入Cr并利用其调控电子态、造孔、牺牲保护的三重功能，制备出超高稳定的NiFe羟基氧化物OER催化剂。在实验室1 cm² AEMWE中实现1 A cm⁻² @ 1.68 V的高活性，并在波动功率下稳定运行超过30天。成功将催化剂放大应用于2.5 kW AEMWE电堆（512 cm²），性能与实验室尺度相当，并在模拟太阳能波动测试中稳定运行超过50小时，无需电池缓冲。这项研究打破了电解水制氢必须依赖稳定电源或昂贵电池缓冲的传统模式，证明了基于非贵金属催化剂的AEMWE系统直接耦合波动可再生能源的技术可行性。未来，通过进一步优化催化剂组成、膜电极结构和系统控制策略，有望推动千瓦至兆瓦级的模块化、离网式制氢设备走向实际应用，加速绿氢经济的到来。
原文信息：
Abdul Malek, Liang Wu et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202520825
DOI: 10.1002/anie.202520825
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