近日，我院包福喜/刘纪昌等联合新加坡南洋理工大学Dr. Lifei Xi研究员在材料领域知名期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一区TOP，IF=19.9） 上发表了电催化水分解制氢的重要成果。研究创新的提出了一种电化学腐蚀-阳离子交换（EC-CE）策略构建了突破传统吸附质演化机制（AEM）的电催化剂。构筑的电催化剂通过O-O自由基直接耦合的氧化物路径（OPM）在安培级电流密度下实现了超过1000 小时的析氧反应（OER）和阴离子交换膜水电解（AEMWE）耐久性。
可再生能源驱动的碱性阴离子交换膜水电解（AEMWE）制氢技术是生产绿氢的关键。但是阳极的析氧反应（OER）动力学缓慢严重制约了其效率。电催化剂OER活性和稳定性与其机制密切相关，传统的吸附质演化机制（AEM）由于高能垒*OOH中间体的产生导致OER动力学缓慢。晶格氧演化机制（LOM）虽然能够避免*OOH的生产，但是晶格氧的参与形成大量的氧空位从而导致电催化剂结构坍塌。氧化物路径（OPM）通过O-O自由基的直接耦合释放O2，从而避免了AEM和LOM的局限性，但其主要在贵金属催化剂和酸性条件下被研究，碱性条件下的非贵金属OPM电催化剂鲜有报道。
基于此，该研究团队开发了一种简便的电化学腐蚀-阳离子交换（EC-CE）策略构筑了具有不对称Ni-O-Co结构的Ni(OH)2@Co3Fe7电催化剂。结合XAFS，in-situ Raman，in-situ ATR-FTIR, in-situ DEMS，ICP-MS 和DFT计算证实了OER过程是通过Ni-Co双位点上的O-O自由基耦合进行的。该催化剂在300 mV的过电位下提供了1000 mA cm-2的电流密度并维持1010小时的OER稳定性。当集成到对称的阴离子交换膜（AEM）电解槽中时，在25 ℃下1.0 M KOH中，电解槽只需要1.82 V的槽压即可实现1500 mA cm-2的电流密度并维持了1000小时的AEMWE耐久性。该电催化剂在安培级电流密度下的OER和AEMWE性能远超大多数非贵金属电催化剂，表现出巨大的工业应用潜力。
图1电催化剂在安培级电流密度下的OER和AEMWE性能测试
相关成果以 “Beyond Conventional Oxygen Evolution Mechanisms: Direct O–O Radical Coupling Enables Stable Anion-Exchange Membrane Water Electrolysis at Ampere Level Current Densities (DOI: 10.1002/adfm.76939)”为题发表于期刊《Advanced Functional Materials》上。论文第一作者为学院2024级博士研究生黄彦兵和2023级硕士研究生毛旭冉；通讯作者为学院包福喜副教授，刘纪昌教授和新加坡南洋理工大学Dr. Lifei Xi。研究得到了石河子大学国际合作项目（GJHZ202210）和石河子大学高层次人才项目（RCZK202324）的支持。
（图文：包福喜；初审：张海洋；复审：刘平；终审：徐炜杰）
