刘建国教授、杨天让副教授，Chemical Engineering Journal：双功能高耐久性碱性水电解多孔电极

第一作者：刁书楷

通讯作者：杨天让*，刘建国*

单位：华北电力大学能源电力创新研究院新型储能技术北京实验室，华北电力大学能源动力与机械工程学院，三峡科技有限责任公司

全球能源需求的爆炸式增长和大量化石燃料消耗的负面影响推动了可再生能源的快速发展。然而，可再生能源的间歇性、波动性和区域性限制了其应用。相比之下，氢气具有较高的能量密度，并且能够随着长时间跨区域进行储存和运输。将电解水与可再生能源相结合成为生产绿色氢气并在电网中容纳大规模风能和太阳能的重要方法。碱性水电解（Alkaline Water Electrolysis, AWE）以其技术成熟度高、投资成本低而著称。然而，商用雷尼镍电极通常使用热喷涂或等离子喷涂技术制造，且往往伴随着复杂且高耗能高污染的后处理步骤。而在文章中报道的高性能催化剂在碱性电解槽中的实际应用往往受到昂贵且难以放大的制造工艺、从三电极系统到碱性电解槽测试的性能下降或与商业电极相比长期稳定性差等因素的阻碍。因此，需要调节镍金属及其氧化物和氢氧化物以增强其本征催化活性，同时保持镍固有的稳定性和成本优势，为实际应用提供种更有价值的方法。

基于此，来自华北电力大学的刘建国教授与杨天让副教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Highly durable porous NiO-derived electrodes with superior bifunctional activity for scalable alkaline water electrolysis”的文章。该文章通过超声喷涂、烧结、化学还原和KOH溶液浸泡合成了一种高效的双功能电极，由在镍网基底上的多孔Ni层和六边形β-Ni(OH)₂纳米片组成。通过超声波喷涂氧化镍和氢气气氛下的烧结还原步骤得到均匀分布的多孔镍层，且得益于其超高比表面积，仅需浸入80℃的KOH溶液中即可在多孔镍层表面生成均匀分布的六边形β-Ni(OH)₂纳米片，构成Ni/Ni(OH)₂@NM双功能多孔电极。装配有Ni/Ni(OH)₂@NM电极的碱性电解槽在80℃下经过2000小时的长期稳定性测试后仍能保持800mA/cm²@1.8V的优异性能，且在1000分钟的启停波动测试中保持稳定。

图1. 具有优异双功能催化活性、长期稳定性和抗波动特性的Ni/Ni(OH)₂@NM电极

对于电极材料来说，亲水性和疏气性有助于电解液的充分浸润和气泡的快速脱附。通过接触角和气泡粘附力测试表征商业电极和Ni/Ni(OH)₂@NM电极表面的亲水性和疏气性。镍网具有相对光滑和平坦的表面，与气泡的大接触面积使其具有最高的气泡粘附力。对于商业雷尼镍电极，由于其表面粗糙、不平整且高度差很大，气泡粘附在多个表面突起上，形成多个分离峰，最大值为0.102mN。Ni/Ni(OH)₂@NM电极的气泡分离峰最小（0.069mN），表明在测试电极中具有最佳的疏气性。此外，在亲水性测试中，液滴在NM和RN表面上的初始接触角都大于100°且保持超过一分钟。相比之下，Ni/Ni(OH)₂@NM电极表现出超亲水特性,水滴在接触时会立即扩散并渗入电极表面。Ni/Ni(OH)₂@NM电极出色的疏气性和亲水性归功于其独特的结构，均匀分布的Ni(OH)₂涂层和多孔结构通过毛细作用促进气泡快速分离，而亲水性则有助于电解质在水电解过程中扩散到活性位点，有助于在电解反应过程中保持低能耗。

要点二：Ni/Ni(OH)₂@NM电极优异的双功能催化活性

Ni/Ni(OH)₂@NM电极相比于商业雷尼镍电极和基底镍网电极表现出更低的HER（η100=164mV）和OER（η100=337mV）过电位。即使与已报道的镍基催化剂相比，Ni/Ni(OH)₂@NM仍然表现出最低的HER和OER过电位。此外，与商业NM和RN相比，Ni/Ni(OH)₂@NM的ECSA值（0.729m²/g）明显更高,表明通过超声波喷涂和NiO到Ni还原形成的多孔镍结构显着提高了电化学活性表面积，而通过碱性处理形成的Ni(OH)₂纳米片提高了活性位点的催化效率。

要点三：Ni/Ni(OH)₂@NM电极在碱性电解槽中的优异性能和长期稳定性

使用Ni/Ni(OH)₂@NM电极的电解槽只需1.933V电压即可在80℃时达到1000mA/cm²的电流密度。使用Ni/Ni(OH)₂@NM电极的电解槽在300mA/cm²电流密度下稳定运行超2000小时，表现出卓越的长期稳定性。在最初的1000小时内，电解电压从1.786V逐渐下降到1.685V，然后缓慢增加到1.695V并一直保持。2000h稳定性测试后，在1.8V时电流密度达到800mA/cm²，证实了其出色的双功能催化活性和长期稳定性。

要点四：Ni/Ni(OH)₂@NM电极在碱性电解槽中的抗波动特性

碱性水电解与可再生能源的整合对其在波动的运行条件下的性能提出了新的要求。因此，在波动条件下测试了碱性电解槽的稳定性，即在1.8V恒定电压下运行10分钟，然后关闭10分钟。在1000分钟（50次循环）内，与使用商业雷尼镍电极的电解槽相比，配备Ni/Ni(OH)₂@NM电极的电解槽保持较低的衰减水平。Ni/Ni(OH)₂@NM电极的卓越稳定性可归因于其独特的材料和结构特性。电极表面预先存在的Ni/Ni(OH)₂会实现协同作用，缓和关断期间的阴极电位上升幅度，使得阴极电极上的Ni到NiO_x/Ni(OH)₂的氧化动力学变慢，使其具有优异的抗启停波动特性。

Highly durable porous NiO-derived electrodes with superior bifunctional activity for scalable alkaline water electrolysis

刘建国教授简介：刘建国，华北电力大学能源电力创新研究院二级教授，博导，全球能源互联网研究院氢能首席专家，国家“万人计划”科技创新领军人才，2020年世界排名前2%科学家（美国斯坦福大学评选），中国内燃机学会燃料电池动力分会副主任委员，中国燃料电池标委会委员，中国工程院战略咨询中心氢能特聘专家。从事氢能关键材料和技术研究与开发，在Angew. Chem., Int. Ed., J. Am.  Chem. Soc. 等权威期刊上共发表论文120余篇，引用超过6500次，H因子为42，授权发明专利47项，国家标准9项，出版专著3部。科研项目：主持国家重点专项项目1项、主持国家自然科学基金4项、教育部联合基金项目1项。科研获奖：国家自然科学二等奖、瑞士日内瓦发明展金奖。创建了国内首家具有CMA和CNAS认证的氢能国家级检测检验中心，担任PNSMI（SCI期刊），《电化学》杂志编委。完成了包括山东省、广东省、江苏省和云南省等5个市级氢能规划和战略研究报告，完成了多个能源和交通企业的氢能产业规划及技术评价。

刁书楷，26岁，目前就读于华北电力大学氢能科学与工程专业博士二年级。2020年本科毕业于大连理工大学化学工程与工艺专业，2022年硕士毕业于加拿大阿尔伯塔大学化学工程专业。博士期间致力于碱性电解水制氢技术的研究并取得了阶段性的成果，在Chemical Engineering Journal（SCI一区TOP）发表名为“Highly durable porous NiO-derived electrodes with superior bifunctional activity for scalable alkaline water electrolysis”的文章、在《硅酸盐学报》（EI核心）发表关于碱性水电解槽关键材料研究进展的综述文章、申请并受理了电解制氢和燃料电池相关的两篇发明专利和一篇实用新型专利。作为骨干科研人员，参与了国家重点研发计划项目“光伏/风电等波动性电源电解制氢材料和过程基础”、国家重点研发计划青年科学家项目课题、国家自然科学基金等科研项目。

华北电力大学汇聚学校氢能领域研究人员整合成立氢能技术创新中心，由刘建国教授担任中心负责人。中心拥有一支学术水平高、创新能力强的低温电解制氢与燃料电池研究团队，形成了PEM燃料电池和水电解、碱性燃料电池和水电解、光电催化三个核心方向，研究内容包括新型催化剂设计与制备、流道设计与优化、单池/电堆诊断与寿命预测、电堆和系统集成，电解氨产氢、电化学合成氨催化剂设计与制备、光催化产氢高效催化剂制备与新型反应器以及氢能综合能源系统、电力变换与电氢耦合、电氢耦合技术经济与规划建模等研究。

团队牵头承担了科技部重点研发计划氢能技术专项“光伏/风光等波动性电源电解制氢材料和过程基础”、国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年项目2项、北京市科协托举人才项目1项，国家能源局储能研究课题1项，中国氢能联盟揭榜挂帅课题2项，国家重点研发计划子课题2项以及企业横向项目10余项。