研究概述

太阳能转化为氢能（STH）的关键之一是开发具有持久活性的催化剂以解决严峻的电压极化和海水腐蚀问题，但这在现实条件下仍然是一个挑战。2024年12月23日，南京航空航天大学常焜教授、中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《A 17.73% Solar-to-hydrogen Efficiency with Durably Active Catalyst in Stable Photovoltaic-electrolysis Seawater System》的研究论文。在这里，作者报道了一种具有高度暴露的Ni-O-Ru单元的NiCr层状双氢氧化物（RuldsNiCr-LDH）的持久活性催化剂，其中低负载的Ru（0.32 wt%）被Ni和Cr精确地锁定在缺陷晶格位点（Rulds）。Cr位点的电子平衡库和嵌入CO32-的Cl-排斥确保了Ni-O-Ru单元高度持久的活性。研究表明基于阴离子交换膜水电解（AEM-WE）的RuldsNiCr-LDH‖RuldsNiCr-LDH电解槽在1000 mA·cm-2下表现出超稳定的海水电解；采用RuldsNiCr-LDH作为阳极和阴极，光伏-电解海水系统实现了17.73%的STH效率，相应的光电制氢（PVTH）效率为72.37%。此外，文章阐明了界面水解离-氧化的动力学演化机制，建立了界面水动力学行为与RuldsNiCr-LDH催化水电解动力学、活性之间的关系。该工作是实现绿色氢气经济规模生产的突破性一步。

图文解读

图1：RuldsNiCr-LDH的表征结果

图2：RuldsNiCr-LDH的结构分析

图3：RuldsNiCr-LDH的电解性能

文献信息

A 17.73% Solar-to-hydrogen Efficiency with Durably Active Catalyst in Stable Photovoltaic-electrolysis Seawater System, Angewandte Chemie International Edition, 2024. https://doi.org/10.1002/anie.202420814.