常焜教授、吴忠帅研究员，Angew新成果：稳定的光伏-电解海水系统中耐久活性催化剂实现17.73%的STH效率

第一作者：高永

通讯作者：常焜*，吴忠帅*

单位：南京航空航天大学，中科院大连化学物理研究所

氢气，是最简单的高热值燃料和稳定的能量载体，为工业部门的深度脱碳提供了潜力。“绿氢”的经济规模化生产是全球能源未来的发展方向，但其广泛工业实施仍面临着重大障碍，尤其是直接海水电解。一是高电力消耗和电解槽配置导致绿氢的生产成本高昂，达$6-8 kg^-1；二是缺乏能够承受工业级电流密度下严苛的电势极化和海水腐蚀的耐久活性催化剂。

为了有效解决上述问题，南京航空航天大学常焜教授和中科院大连化物所吴忠帅研究员共同提出了锁定策略，基于原子级缺陷工程制备了Ru_ldsNiCr-LDH双功能催化剂。该催化剂展现出优异的催化活性和耐久的操作稳定性，将其应用于阴离子交换膜电解水（AEM-WE）器件时，Ru_ldsNiCr-LDH||Ru_ldsNiCr-LDH在1000 mA cm^-2展现出稳定的海水电解。该工作发表在Angewandte Chemie上。

本工作深入的结构分析解释了Ru_ldsNiCr-LDH的活性、耐久性起源。Ru原子被精准地锁定在微/介孔缺陷晶格位，诱导产生高度暴露的Ni-O-Ru催化活性中心。稳健的Cr位电子平衡库在动态电解过程中平衡了Ni-O-Ru活性单元电子的增益与损失，而插层CO₃^2-通过孔缺陷和层间距静电排斥腐蚀性Cl^-，共同赋予Ru_ldsNiCr-LDH耐久的催化活性。

同时构建了可有效利用可再生能源太阳能的“光伏-电解系统”，并整合Ru_ldsNiCr-LDH催化剂应用于该系统。结果，光伏-电解海水系统实现了17.73%的STH效率，位于文献报道的第一梯队。通过对文献报道的所有光伏-电解系统的研究发现，不同论文所使用的光伏板的光电转换效率（PCE）、类型、造价各不相同，这使该系统的STH效率的横向对比失去了意义。因此，本文首次提出了PVTH（Photovoltaic-to-hydrogen，光伏至氢）效率参数：PVTH = STH / PCE，使用PVTH效率时可以忽略光伏板的差异。本文构建的光伏-电解海水系统展现出72.37%高的PVTH效率。

涉及界面水的动态演变机制阐述了界面水动态行为和Ru_ldsNiCr-LDH催化水电解的活性、动力学间的相关性。本文划分了三个阶段：定向迁移、振动-解离、活性氧物种演化，其中界面水的“振动-解离”与动力学控制过程（KCP）的转变有关，促进三相界面反应（TPI-R）的发生；“活性氧物种演化”则决定了催化剂的活性。

高永：南京航空航天大学2023级博士研究生，曾获国家奖学金、安徽省大学生化学竞赛二等等。研究方向是高活性长耐久性电催化剂的设计、开发及其器件应用。目前以第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Mater. Chem. A、Chem. Eur. J.等期刊发表多篇SCI论文。

常焜：南京航空航天大学教授，欧洲工程院院士，入选国家中组部青年人才计划、江苏省特聘教授、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、南航“长空英才”计划。主要围绕新型复合功能纳米材料、高效稳定太阳能催化转换系统、水系安全规模储能器件等领域，开展材料设计及系统工业化应用研究。

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