研究背景

在“双碳”目标背景下，电解水制氢被视为实现绿色能源转型的重要途径。阴离子交换膜水电解（AEMWE）兼具高效率与低成本优势，具有良好的应用前景，但其实际应用仍受限于阳极氧析出反应（OER）动力学缓慢及电极长期稳定性欠佳。NiFe层状氢氧化物（NiFeLDH）是极具潜力的非贵金属OER催化剂，但在工况运行条件下易发生催化层脱落和Fe活性位点溶解，导致性能快速衰减。现有研究多聚焦单一稳定性问题，缺乏同时解决NiFe基阳极机械与电化学失效的有效策略。因此，开发一种兼具优异机械稳定性和化学稳定性的高效NiFe基阳极，是推动AEMWE降本增效，向实际应用迈进的关键科学与工程解决手段。

成果介绍

复旦大学张树宇&区琼荣，海南大学田新龙&王志同等人提出了一种基于“双重策略”的NiFe析氧电极构筑路线，通过等离子体改性基底增强催化剂与基底之间的相互作用，从而提高电极在高电流密度析氧条件下的机械稳定性；同时引入有机磷配位保护层，有效抑制Fe活性位在强氧化电位下的电化学溶解，并促进氧析出反应动力学。该成果以“A ‘Two‐Pronged’ Strategy Boosting the Activity and Stability of Nickel-Iron Catalysts Toward Anion Exchange Membrane Water Electrolysis”为题发表在Carbon Energy 上。

图文解析

图1  研究问题与“双重策略”总体示意图

NiFe基OER电极在AEMWE中面临两大核心失效机制：催化剂与基底结合力弱导致机械脱落；高氧化电位下Fe活性位发生电化学溶解。本工作针对上述挑战提出“双重策略”设计理念：通过增强催化剂–基底界面稳定性与催化剂–电解质界面稳定性，实现高效稳定OER。

图2  MS-NiFeLDH@PTA的制备路线与精细电子结构表征

电极制备路线示意图，NiFeLDH被均匀的有机磷层包覆，形成稳定复合结构。PTA修饰后Ni、Fe位点的局域电子结构与原子配位环境发生变化，尤其是Fe–O和Fe–M键键长收缩，有利于增强Fe位点的电化学稳定性。

图3  OER性与稳定性综合性能评估

三电极电化学测试结果表明，MS-NiFeLDH@PTA在OER反应中具有优异的大电流密度下的催化性能；通过加速老化测试、长期稳态运行及间歇启停测试证明MS-NiFeLDH@PTA阳极在苛刻工况下仍表现出良好的稳定性；与S-number描述符相关联的定量测试结果进一步表明等离子体基底改性结合有机磷修饰的双重保护策略显著提升了所制备NiFe基阳极的OER活性和稳定性。

图4  稳定性、活性增强的机理实验与理论验证

微米划痕测试量化并证实等离子体改性显著增强催化剂–基底结合力；原位Raman与原位ATR-SEIRAS揭示了PTA修饰促进了Ni(Fe)OOH活性相的产生，并通过调节AEM反应路径的决速步能垒优化OER反应动力学；DFT计算表明PTA修饰显著提高了Fe位点的溶解势垒，实现稳定性与活性的协同优化。

图5  AEMWE器件性能验证

MS-NiFeLDH@PTA阳极与商用铂碳阴极配对在AEMWE器件中仅需1.70  V槽压便可实现1 A cm⁻²电流密度；原位阻抗测试表明该电极对在工况下具有更低的电荷转移电阻与传质阻抗；在80°C、1 A cm^-2下长期稳定运行150 h；与商业NiFe泡沫对比，体现出显著的性能优势。

研究小结

本研究提出了一种针对NiFe基OER电极的“双重策略”设计方法，通过等离子体改性基底增强催化剂–基底界面结合力，并利用有机磷配位保护抑制Fe活性位溶解，实现了活性与稳定性的协同提升。所构建的MS-NiFeLDH@PTA电极在高电流密度下展现出优异的OER性能和长期运行稳定性，并在AEMWE装置中实现低槽压、低能耗的稳定制氢。该工作为非贵金属OER电极的稳定性调控与工程化应用提供了可行的新思路。

作者简介

张树宇，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院、复旦大学光伏科学与技术全国重点实验室副研究员、硕士生导师。在功能材料合成及改性领域有丰富科研和工程经验，主持多项国家级、省部级科研项目，编写教材2部，在Chemical Society Reviews等国际顶级期刊发表SCI论文60余篇，包括多篇封面论文、邀请论文和ESI 1%高被引论文，研究成果被国内外多家科研机构和专业媒体报道。国家发明专利授权9项，绿氢催化剂成果于2022和2023年连续两年获中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖，并参展2024年中国国际工业博览会。

区琼荣，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院教授、博士生导师，中国力学学会等离子体专业技术委员会委员，中国宇航学会电推进专业委员会委员。研究领域包括材料合成与表面功能化改性研究，以及空气净化技术孵化，主攻电解水制氢催化剂和超级电容器电极材料的合成、功能化改性及其量产技术，承担了多项相关的国家级项目；在空气净化技术方面与企业界有广泛合作，有多项技术成果在企业推广应用。

王志同，海南大学海洋技术与装备学院副研究员、博士生导师，主要研究方向为碳基分子电化学催化、纳米功能材料的设计合成等。近三年，以通讯/第一作者在Nat. Commun., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.等国内外学术期刊上发表SCI论文20余篇，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）、海南省自然科学基金优秀青年基金、海南省重点研发计划等项目，担任Carbon Neutralization、Information ＆ Functional Materials等期刊青年编委。

田新龙，教授、海南大学研究生院副院长（主持工作），国家青年人才；海南大学“海洋清洁能源创新团队”负责人，主要从事海水制氢、海水电池和海水资源提取研究，以第一或通讯作者在Science等期刊发表论文120余篇；主持国家级项目6项，授权国家发明专利30余项、美国发明专利1项；担任全国青联第十四届常委、中国青年科技工作者协会第七届理事、Nano Research Energy 编委，J. Energy Chem., eScience, Carbon Energy等期刊青年编委；获中国电化学青年奖、海南省自然科学一等奖、《麻省理工科技评论》亚太区TR35、侯德榜化工科学技术青年奖、海南青年科技奖、海南青年五四奖章等荣誉，入选2025年度科睿唯安交叉领域“全球高被引科学家”。

相关论文信息

论文标题：A “Two-Pronged” Strategy Boosting the Activity and Stability of Nickel–Iron Catalysts Toward Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

文章研究方向：电催化— —电解水

论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70140

DOI: 10.1002/cey2.70140