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同济大学张清然Science Advances:高效碱性水电解实现太阳能制氢（STH）

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-21 13:56

正文

▲ 第一作者：张清然

共同通讯作者： Rose Amal/ Xunyu Lu

通讯单位：同济大学环境科学与工程学院

论文DOI：10.1126/sciadv.ads0836 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

全文速览

光伏碱性水电解（PV-AW）系统通过结合先进碱性水电解槽和聚光光伏（CPV）接收器，实现了高效的绿色制氢。该系统采用氧化铁 / 镍（氢氧化物）复合材料作为阳极析氧催化剂，在 1.8 V 电压下达到 1 A cm ⁻² 的电流密度，产氢速率为 0.37 kgH ₂ /m ⁻² /h 。集成的 CPV-AW 系统在大电流密度下实现了高达 29.1% 的太阳能制氢（ STH ）转换效率，超过了所有先前报道的光伏电解系统的性能。

背景介绍

氢气是一种重要的能源载体，能够储存可再生电力并解决其间歇性问题，同时作为清洁能源在全球市场交易。光伏驱动的水电解（ PV-WE ）是目前最成熟的绿色制氢技术，但其效率受限于水电解动力学，导致能耗和成本较高。工业上常用的水电解技术包括碱性水电解（ AWE ）和质子交换膜（ PEM ）电解，其中 PEM 效率更高但成本昂贵，而 AWE 成本较低但高电流密度下效率不足。提升 AWE 性能至接近 PEM 水平是降低绿色氢气成本、推动氢经济的关键，研究人员正通过电解槽工程、电池建模和高效催化剂设计等努力实现这一目标。

本文亮点

1 、研究首次成功开发了一种超小 Fe ₂ O ₃ 纳米颗粒负载于镍（氧）氢氧化物（ Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y ）纳米片上的多组分 OER 催化剂，展现出优异的析氧反应（ OER ）活性。实验结果显示，该复合催化剂在 1 M KOH 电解液中表现出优异的 OER 性能，在未进行电阻修正的情况下， 100 mA cm ⁻² 和 500 mA cm ⁻² 的电流密度分别对应低于 230 mV 和 400 mV 的过电位。

2 、通过将 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y 基氧电极集成到高性能碱性水电解（ AWE ）系统中，研究团队成功实现了大电流密度下的高效氢气生产。在 1.65 V 和 1.80 V 的电池电压下，该系统在热 KOH 溶液中分别实现了 0.5 A cm ⁻² 和 1 A cm ⁻² 的高电流密度，展现了出色的电解性能。

3 、研究将高效 AWE 系统与集光光伏（ CPV ）接收器相结合，构建了一套高性能的 PV-AW 系统，实现了创纪录的 29.1% 的太阳能转氢（ STH ）效率（如果排除导线电阻损耗，可达 30.3% ）。该系统在大电流密度下（最高 240 mA cm ⁻² ）表现出卓越的稳定性与效率，为绿色氢气的大规模生产提供了高效且低成本的解决方案。

图文解析

1 、 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y 催化剂的微观结构表征分析。

本文通过可控水热工艺在泡沫镍（ NF ）衬底上制备了 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y 复合材料，其中 NiO _x H _y 纳米片表面负载了大量超小 Fe ₂ O ₃ 纳米颗粒（ 5~10 nm ）。表征结果显示， Fe ₂ O ₃ 和 NiO _x H _y 之间存在强烈的电子相互作用，导致电子从 NiO _x H _y 转移到 Fe ₂ O ₃ ，形成富电子并伴随氧空位的 Fe ₂ O ₃ 相。这种界面电荷转移和缺陷结构可能显著提升催化剂的析氧反应（ OER ）性能。

2 、在 1 M KOH 溶液中，对 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y /NF 和 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y /PTF 进行了电化学测试及相关机理研究。

在 1 M KOH 溶液中， Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y /NF 电极展现出优异的析氧反应（ OER ）性能，仅需 290 mV 过电位即可实现 100 mA cm ⁻² 的电流密度，且经过 50 小时稳定性测试后性能无明显衰减。通过对比实验排除了 Fe 杂质和 NiFeOOH 对 OER 活性的影响，证实 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y 的高活性源于 Fe ₂ O ₃ 与 NiO _x H _y 之间的界面相互作用。此外， Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y /PTF 电极在严格纯化的 1 M KOH 中表现出最高的 OER 活性和最低的 Tafel 斜率（ 46 mV/dec ），其周转频率（ TOF ）达到 0.86 s ⁻¹ /Fe 原子，显著优于其他对比样品和大多数已报道的 OER 催化剂。

3 、 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y /FeF 电极的电化学测试及使用 Fe ₂ O ₃ -NiOxHy/FeF 阳极的相应 WE 和 PVE 性能。

采用 Fe ₂ O ₃ -NiO _x H _y / FeF 电极和 MoNi ₄ /NF 材料分别作为阳极和阴极，组装的零间隙碱性水电解（

同济大学张清然Science Advances:高效碱性水电解实现太阳能制氢（STH）

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