杨天让副教授、刘建国教授， AEM：自支撑高效碱性水电解电极制备

第一作者：旷文

通讯作者：杨天让*，刘建国*

单位：华北电力大学新型储能技术北京实验室

碱性水电解（AWE）是大规模制氢的首选技术之一，但 AWE 工作电流密度低、频繁启停会加速电极退化，这些不足严重阻碍其在可再生能源场景中的应用。电极性能对电解槽电流密度起决定性作用。贵金属催化剂虽活性高，但成本高、资源稀缺，难以低成本大规模应用。工业常用的雷尼镍电极，制备工艺复杂，对设备和环境要求高，且难以耐受大电流和频繁启停工况。因此，开发新型电极材料，克服现有电极的缺陷，对推动水电解技术进步、促进清洁氢生产意义重大。

近日，来自华北电力大学的杨天让副教授和刘建国教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Self-Supported Ni/Ni(OH)₂ Electrodes for High Performance Alkaline and AEM Water Electrolysis”的文章。该文章分析商业碱性水电解电极在界面接触、气泡传输和动态运行稳定性等方面弊端，创新性提出新型电极的制备思路及方法。相关工作还获得了国内及美国发明专利授权。

本研究采用流延法制备Ni/Ni(OH)₂电极（TPE），展现出显著的工艺优势和结构特性。TPE的制备流程主要包括NiO浆料的流延成型、叠层、热压、烧结以及氢气还原处理等工序，制备过程简单高效且易于规模化生产。TPE电极展现出独特的多级孔网络结构，包括海绵状小孔和条带状大孔。这种分级孔结构不仅为气泡的快速传输和释放提供了便捷通道，减少了气泡滞留对电化学反应的不利影响，而且为催化反应提供了更多的活性位点。TPE的多孔结构还为Ni(OH)₂纳米片的生成提供了理想的基底，与传统的水热法和电沉积法相比，TPE仅需碱液浸泡即可实现Ni(OH)₂纳米片的均匀生长。

TPE电极在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中展现出卓越的催化活性。当电流密度为10mA cm⁻²时，HER过电位仅为40mV；在100mA cm⁻²的高电流密度下，过电位也仅为124mV。在OER反应中，TPE电极同样表现出色。在100mA cm⁻²电流密度下，OER过电位为358mV；当电流密度提升至400mA cm⁻²时，过电位为435mV，性能显著优于传统雷尼镍电极。在碱性水电解中， 1.8V电压下电流密度达0.91A cm⁻²，远超商业电极。在AEM水电解中，TPE电极与AEM膜具有良好的兼容性，其平滑的表面和微孔结构避免了对膜的机械损伤。在1.8V时电流密度为0.4A cm⁻²，性能明显优于镍纤维毡电极。

TPE电极在80°C、30wt% KOH、0.91A/cm²条件下，能在1.77V稳定运行1500h以上。TPE电极在频繁启停工况下表现优异，在0.5 A/cm²运行7分钟、停机7分钟的加速循环测试中，TPE比RN电极具有更低的电极溶解率。这主要归因于其独特的组分设计：在停机过程中，电极会经历两个阶段：首先是电解液中溶解的O₂和H₂发生原电池放电反应；随后电极发生氧化还原反应，电压缓慢下降，此阶段阳极NiOOH还原为Ni²⁺，阴极Ni氧化为NiOx/β-Ni(OH)₂。其中，阴极氧化属不可逆过程。由于TPE电极固有的Ni/Ni(OH)₂组成在这种氧化还原转变过程中比主要含金属Ni的RN电极表现出更好的稳定性，有效缓解了阴极不可逆氧化带来的性能衰减。这种优异的启停适应性使TPE电极特别适合与可再生能源系统集成，为大规模清洁能源转化提供了可靠的电极选择。

Self-Supported Ni/Ni(OH)₂ Electrodes for High-Performance Alkaline and AEM Water Electrolysis”

杨天让, 副教授，华北电力大学国家储能技术产教融合创新平台和氢能学科建设骨干。2018年博士毕业于美国南卡罗莱纳大学机械工程系州立燃料电池中心。研究方向为电解制氢与燃料电池关键材料和器件，电解系统设计与开发。发表学术论文40余篇，授权国内/国际发明专利10余项。参与多项美国能源部重大项目，曾任美国西北大学项目组首席研发人员，电极机理研究成果获美国橡树岭国家实验室“Neutron Beam Award”。2020年9月人才引进入职华北电力大学后，主持了国家自然科学基金青年项目、北京市科协青年托举工程人才项目、国家重点研发计划青年科学家项目课题和国家重点研发计划项目子课题等，负责多项央企委托横向项目。

旷文：本科毕业于华北电力大学，现为华北电力大学动力工程与工程热物理专业在读硕士。已授权国内发明专利一项（CN 117374302 B），美国发明专利一项（US 12,199,289 B2）。