第一作者： 李文龙、丁云轩、赵一龙
通讯作者： 孙立成 院士
通讯单位： 西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心、西湖大学理学院、西湖大学未来产业研究中心、浙江白马湖实验室西湖大学基地
论文DOI： 10.1002/anie.202505924
在工业电流密度下，阳极催化剂表面会快速聚集大量H+，导致局部pH值降低，引发化学腐蚀，进而导致器件性能与稳定性的下降。为解决这一问题，我们采用梯度浸泡法制备了一种两性离子修饰的NiFe催化剂（z-NiFe）。该催化剂组装的AEM-WE器件在1000 mA cm−2下，电池电压仅为1.76 V，并表现出超过14,000 小时 (19个月)的创纪录稳定性，电压衰减率低至12.3 μV h−1。研究表明，两性离子中的季铵盐阳离子在催化剂和阴离子交换膜之间构建了一个连续的OH–传递网络，促进了OH–从阴离子交换膜和电解液向活性位点的定向迁移，从而在催化剂表面形成一个持续富碱性的微环境。该微环境能够动态中和反应过程中产生的H+，同时显著提升器件的催化性能和化学稳定性。
阴离子交换膜电解水（AEM-WE）制氢技术因具备低成本和高效率的优势，成为当前最具有发展潜力的制氢方法之一。然而，在工业电流密度下，阳极催化剂表面会迅速聚集大量H+，导致催化剂发生化学腐蚀，从而降低器件的性能和稳定性。为了解决活性位点溶解的问题，人们提出了多种策略，包括阳离子缺陷设计、阴离子工程、活性物种溶解再沉积以及层状氢氧化物剥离为超薄纳米片等。但这些策略无法解决工业AEM-WE装置中催化剂持续溶解这一关键难题。该限制源于无法从根本上改善膜与催化剂界面之间的OH⁻传输动力学。为了实现AEM-WE器件高效的催化性能和长期的稳定性，必须转变思路，致力于增强从阴离子交换膜（AEM）到催化剂活性位点的OH⁻通量，以确保金属活性中心具有足够的OH⁻浓度，从而抵消H⁺的积累。
(1) 首创两性离子界面改性策略：通过梯度浸泡法将两性离子（z-TCQ）修饰到NiFe-LDH催化剂表面及层间，构建动态OH⁻传输网络，解决阴离子交换膜（AEM）与催化剂界面OH⁻传输缓慢的瓶颈问题。
(2) 动态碱性微环境工程：两性离子中的季铵盐阳离子在催化剂表面形成局部富碱性微环境，实时中和大电流密度下瞬间产生的大量H⁺，抑制化学腐蚀，显著提升稳定性。
(3) 工业电流密度下AEM-WE性能突破：z-NiFe催化AEM电解槽在1000 mA cm-2电流密度下仅需1.76 V槽压，并稳定运行超过14000小时，电压衰减率低至12.3 μV h-1。
图1 催化剂z-NiFe的结构和组分表征
通过两步梯度浸泡工艺制备了两性离子修饰的z-NiFe催化剂。SEM结果显示，z-NiFe由小纳米片构成的二级层次结构，完全包裹了一级层次结构。这种多层级结构不仅可以增加电化学活性面积，还有利于气泡的脱离。XRD谱图表明z-TCQ插层到NiFe-LDH层间，使z-NiFe具有更大的层间间距。FT-IR、Raman和XPS结果显示，-COO-取代了z-NiFe中的晶格氧（M-O-M），并与金属中心发生配位，进而将两性离子修饰在催化剂表面。
图2 原位拉曼光谱，OH−导电率和电解液的ICP测试
进一步的原位拉曼光谱显示，在催化过程中，z-NiFe表面始终维持碱性微环境，而未修饰的NiFe-LDH表面则呈酸性环境。同时，z-NiFe催化剂中的OH⁻传导率显著高于未修饰的NiFe-LDH，表明其具有更快的OH⁻传导能力。这说明在季铵盐阳离子存在下，z-NiFe与阴离子交换膜之间形成了高效的OH⁻转移网络，加快了OH⁻从膜向活性位点的传输。ICP-MS分析结果显示，在1 M KOH中，z-NiFe溶解的Fe和Ni离子含量明显低于NiFe-LDH，这一现象有力证明，季铵盐阳离子诱导形成的表面富碱微环境显著增强了催化剂的化学稳定性。
图3 密度泛函理论对z-NiFe反应机制的分析
DFT计算表明，修饰的z-TCQ能够形成局部氢键网络。这种氢键作用有助于稳定吸附的O*中间体。z-NiFe反应的速率控制步骤也因此从NiFe-LDH原有的O–H脱氢过程转变为通过O–O耦合生成OOH的步骤。理论计算结果与实验结果相符。
图4 z-NiFe在AEM-WE器件中的催化性能和稳定性测试
为探究z-NiFe在工业电流密度下的应用，我们组装了z-NiFe催化的AEM-WE器件，在1000 mA cm−2电流密度下的电池电压仅为1.76 V，并表现出超过14000 h (19个月)的创纪录稳定性，电压衰减率低至12.3 μV h−1。
我们开发了一种两性离子修饰的z-NiFe催化剂，用于工业级电流密度下高效电解水制氢。此外，z-NiFe在阴离子交换膜水电解（AEM-WE）装置中表现出优异性能，在2.00 V的电池电压下电流密度达到7,860 mA cm-2，并在1000 mA cm-2下保持超过14,000小时的长期稳定性。本研究展示的两性离子调控策略可加速OH⁻从膜和电解液向活性位点的定向迁移，从而在催化界面建立持续碱性的微环境。这一在反应界面动态维持的碱性微环境可自发中和产生的H+，有效抑制化学腐蚀，提高器件催化性能和稳定性。该策略深入研究了AEM与催化剂之间的界面特性，为阳极催化剂的设计及其与膜的相互作用提供了新思路。
Wenlong Li1, Yunxuan Ding1, Yilong Zhao1, Zhiheng Li, Gaoxin Lin, Linqin Wang, Licheng Sun. Zwitterion-Modified NiFe OER Catalyst Achieving Ultra-Stable Anion Exchange Membrane Water Electrolysis via Dynamic Alkaline Microenvironment Engineering. Angew. Chem. Int. Ed, 2025.
https://doi.org/10.1002/anie.202505924
西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心 (CAP for Solar Fuels @ Westlake) 介绍
“西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心”为西湖大学校级研究中心，成立于2020年3月，由中国科学院院士、人工光合作用领域专家、西湖大学理学院化学讲席教授孙立成博士组建，主要致力于太阳能燃料与太阳能电池科学前沿领域关键科学问题的基础研究和瓶颈应用技术的突破。中心的研究方向包括高效分解水制氢催化剂的设计以及关键器件的集成和应用、光/电驱动CO2还原制备清洁燃料、光/电驱动N2还原合成氨、利用水作为氧源和氢源光/电驱动有机底物氧化与还原制备精细化学品、新型太阳能电池与相关催化剂/电极的耦合关键技术研发、新型捕光半导体材料及光阳极/光阴极的开发、天然光合作用释氧酶水氧化机理揭示、材料智能设计等，并力求从分子、材料等多个尺度上优化催化剂性能、理解复杂的固-液、固-气和气-液界面现象、调控电荷分离与传输、设计开发新型材料和催化体系，实现高效太阳能转化和可再生绿色燃料及高端化学品的清洁制备。
详细信息见中心官网https://cap.westlake.edu.cn/
1. 研究员（若干名）
欢迎获得有机化学、物理化学、无机化学、能源化学、材料化学、应用化学/化工等相关专业博士学位，在太阳能转换研究领域具有相关博士后研究经历，能独立开展研究工作的有志之士以助理研究员、副研究员、研究员身份加入孙立成团队。
2. 博士后（若干名）
欢迎获得有机化学、物理化学、无机化学、能源化学、材料化学、应用化学/化工等相关专业博士学位，在太阳能转换研究领域能独立开展研究工作的有志之士以博士后身份加入孙立成团队。
3. 博士生（若干名）
获得有机化学、物理化学、无机化学、能源化学、材料化学、应用化学/化工等相关专业本科或硕士学位，热爱科研工作，欢迎报考。
招聘邮箱：sun_lab@westlake.edu.cn
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