王得丽教授AEM综述：破局海水电解，NiFe LDH基催化剂的设计与工业化前景

第一作者：刘毅

通讯作者：王得丽

单位：华中科技大学

实现“碳中和”目标，关键在于构建以绿氢为核心的清洁能源体系。当前，电解水制氢是生产绿氢的主流技术，但其发展受限于日益紧张的淡水资源。与之相比，海水占全球水储量的96.5%，是近乎无限的原料宝库。直接电解海水制氢技术，不仅能规避淡水短缺和预处理成本高的问题，更能与丰富的海上风电、光伏等可再生能源高效耦合，形成“可再生能源-海水电解-绿氢”的完美闭环，被认为是实现大规模、低成本绿氢生产的破局之道。然而，海水中高浓度的氯离子及其他复杂成分，给析氧反应这个制氢过程的“效率瓶颈”带来了严峻挑战：竞争性析氯反应、催化剂腐蚀、活性位点沉淀失活等问题，严重制约了电解效率与装置寿命。因此，开发能够在这一“恶劣”环境中高效、稳定工作的廉价阳极催化剂，成为推动该技术落地的核心。在众多非贵金属催化剂中，镍铁层状双氢氧化物因其独特的层状结构、高本征活性和可调控的电子特性，被视为最具潜力的候选者之一。

近日，来自华中科技大学大学的王得丽教授在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Advancing Seawater Electrolysis: NiFe-LDH-Based Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction”的综述文章。该综述文章综述系统性地梳理了NiFe-LDH基催化剂用于海水析氧反应的研究全貌以及工业应用的设计准则。

阐释了Ni/Fe位点的协同作用机制及在海水环境中的动态演化。

全面总结了氯离子竞争、多离子腐蚀、沉淀堵塞等实际难题。

提出了提升活性、增强耐氯性、保障稳定性的三位一体改性策略。

前瞻性地探讨了从材料设计到系统集成的产业化路径与未来方向。

通过关键词图谱与年度发文量，直观展示了NiFe-LDH在海水电解领域迅速成为研究热点的历程，其研究网络紧密围绕“异质结”、“缺陷工程”等前沿方向展开。

多组原位表征与理论计算联手，揭开了NiFe-LDH高活性的秘密：Fe是催化活性的核心，而Ni位点则扮演着驱动电子转移的关键角色，二者协同极大地促进了O-O键的形成。

要点：本图将海水电解的复杂困境归纳为四大挑战，并创新性地提出了从原子级调控到电解槽设计的全链条解决方案框架，为研究者指明了攻坚方向。

要点：析氧反应与析氯反应在阳极上演着激烈的“竞争”。本图通过热力学相图清晰划定了各自的“优势区”，指出调控电位与pH是确保氧气“胜出”的关键。

要点：揭示了Cl⁻倾向于引发深度点蚀，而Br⁻更易导致宽浅蚀坑并加速催化剂层剥落，为针对性防护设计提供指导。

要点：提出集成预处理、碱化、电解核心、离子管理与抗污染模块的系统化工程方案，为实现稳定运行提供技术路径。

要点：阐述了Ce、Mn等金属与B、S等非金属掺杂对优化d带中心、促进活性相生成及提升稳定性的作用机制。

要点：分析了LDH与硫化物、磷化物等构建异质结在促进电荷转移、优化反应路径与提升抗腐蚀性能方面的协同效应。

要点：探讨了氧空位与阳离子空位在降低反应能垒、诱导表面重构与稳定高价活性物种方面的作用。

要点：阐述了通过阴离子插层与原位生成阴离子屏蔽层，利用静电斥力阻隔Cl⁻接近活性界面的方法。

要点：展示了通过合金氧化层、原位沉淀BaSO₄及人工涂层等物理屏障，实现对Cl⁻渗透的有效阻隔。

要点：分析了利用Lewis酸位点富集OH⁻，或通过分子修饰调控Cl⁻吸附行为，以实现反应路径优化的策略。

要点：探讨了通过三维基体生长、MXene增强及离子动态平衡机制，提升催化剂结构完整性与服役寿命的途径。

要点：阐述了构建超亲水/超疏气表面对促进气泡脱附、降低传质阻力、维持高电流密度下稳定运行的重要性。

要点：展示了腐蚀工程、室温合成等适用于大面积、低成本制备高性能电极的可行方法。

要点：总结了通过空位调控、电解质添加剂与多酸插层等策略，在工业级电流密度下实现高效稳定运行的典型案例。

展示了改性NiFe-LDH催化剂在真实电解槽环境中，于高碱度海水条件下长期稳定运行的性能数据。

强调了通过活性、稳定性与耐蚀性的协同优化，以及材料与电解槽系统的匹配设计，是实现产业化应用的关键。

提出了智能材料设计、原位表征与机器学习结合、标准化测试体系建立及工程化集成等未来重点发展方向。

Advancing Seawater Electrolysis: NiFe-LDH-Based Electrocatalysts for the Oxygen Evolution Reaction