近日，能源动力与机械工程学院硕士研究生旷文在杨天让副教授、刘建国教授指导下，在碱性水电解研究领域取得重要突破。研究团队实现了1.8V下接近1A/cm2的电流密度，这是目前公开报道的镍基碱性电解水电极的最高结果。相关研究成果“Self-Supported Ni/Ni(OH)2 Electrodes for High-Performance Alkaline and AEM Water Electrolysis”于2月3日发表在国际权威学术顶刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials），华北电力大学是论文唯一通讯单位。此项研究还获得了中国和美国的授权发明专利。

碱性水电解（AWE）是大规模制氢的首选技术之一，但 AWE 工作电流密度低、频繁启停会加速电极退化，这些不足严重阻碍其在可再生能源场景中的应用。电极性能对电解槽电流密度起决定性作用。贵金属催化剂虽活性高，但成本高、资源稀缺，难以低成本大规模应用。工业常用的雷尼镍电极，制备工艺复杂，对设备和环境要求高，且难以耐受大电流和频繁启停工况。因此，开发新型电极材料，克服现有电极的缺陷，对推动水电解技术进步、促进清洁氢生产意义重大。

研究团队采用流延成型法制备了新型自支撑Ni/Ni(OH)2电极（TPE）。TPE电极具有独特的多级孔网络结构，有利于气泡快速传输和Ni(OH) 2纳米片的均匀生长。在碱性水电解测试中，TPE电极在1.8 V电压下实现了0.91 A/cm2的电流密度，性能远超传统商业雷尼镍电极，并能在1500小时以上的长时间运行中保持稳定。此外，在阴离子交换膜（AEM）水电解应用中，其平整的表面和微孔结构为膜提供有效的机械支撑，避免了膜机械损伤。TPE电极的优异性能源于四个方面：自支撑纳米结构提供高活性比表面积、优化的界面接触降低阻抗、多孔结构促进传质过程、Ni/Ni(OH)2组分确保启停稳定性。

新型电极制备工艺流程与传统电极的对比（图1）。该电极制备过程包括浆料制备、流延、裁切、热压、烧结、氢气还原和碱性溶液处理步骤。与传统热喷涂制备的雷尼镍电极相比，新型电极制备工艺简单，成本更低，且避免了诸多安全和环境问题。图2和3是新型电极在碱液浸泡前后变化的形貌表征图，通过碱液浸泡，多孔镍电极上生长出大量的氢氧化镍纳米片，这种Ni/Ni(OH)2组分与结构不仅增加了催化反应比表面积，提升催化活性，同时也增强了电极稳定性。

图1 新型电极和传统雷尼镍电极的制备流程图对比

图2 新型电极的X 射线衍射和X 射线光电子能谱结果图

图3 新型电极的扫描电子显微镜和透射电子显微镜结果图

图4利用新型电极开展了水电解性能测试。在碱性水电解槽中，对比不同电极组合的极化曲线可知，新型电极表现卓越，1.8V时电流密度达0.91A/cm2，远超商业电极。电化学阻抗谱分析显示其欧姆和极化电阻最低。在稳定性测试中，TPE 电极在 80oC、30wt%KOH、0.91A/cm2 条件下，能在 1.77 V 稳定运行 1500 小时以上。在阴离子交换膜水电解槽测试中，新型电极相比商业镍毡优势显著，在 1.8-2.2 V 的电流密度更高，且因其对膜更好的机械支撑，适合差压型电解槽。

图4 新型电极在水电解中的综合性能表现

研究团队还针对新型电极和商业雷尼镍电极进行了频繁启停测试（图5）。在0.5 A/cm2运行7分钟、停机7分钟的加速循环测试中，TPE比商业电极具有更低的电极溶解率。在350个循环后新型电极的性能并未出现明显衰减，而商业雷尼镍电极出现性能大幅衰减。这是因为新型电极的固有Ni/Ni(OH)2组分在氧化还原过程中，比主要为金属镍的雷尼镍电极更加稳定。

图5 新型电极和商业电极的频繁启停测试对比

此项研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52202234）和北京市科协青年人才托举工程（项目编号：BYESS2023073）的资助。除上述研究工作外，研究团队此前还在知名期刊《Chemical Engineering Journal》发表了题为"Highly durable porous NiO-derived electrodes with superior bifunctional activity for scalable alkaline water electrolysis"的相关研究成果，该成果利用超声喷涂技术成功开发了双功能高耐久性碱性水电解多孔电极。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202406080

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158738

初审：王敏

复审：杨天让

审核：杜小泽