Nature Catalysis：基于NiX（X=Fe, Co, Mn）的氧化还原活性Ni-O配体增强型阴离子交换膜电解槽

一、 【科学背景】  

        阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其在碱性环境下的运行而受到关注，这使得它不需要使用贵金属，并且展现出更高的氢气生成反应动力学，从而实现更高的氢气生产效率。AEMWE可以使用稀碱性溶液或纯水作为电解液，使用相对便宜的阴离子交换膜和高活性的非贵金属催化剂，有效降低电解水能耗并大幅减少投入成本。德国工业大学和德国柏林亥姆霍兹-柏林材料与能源中心，M. Klingenhof和H. Trzesniowski为共同一作，报道了一种无铱（Ir-free）的AEMWE电池，这些电池使用了NiX（X = Fe, Co或Mn）层状双氢氧化物（LDH）催化剂涂层膜。这些电池的极化特性和氢气产率接近酸性PEMWE电池，在小于2.2V的电压下能够实现超过5 A cm^-2的电流密度。相关研究成果以“High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe, Co, Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni-O ligands”为题目发表在期刊Nature Catalysis上。这项研究不仅提供了对AEMWE中催化剂作用机制的新理解，而且推动了AEMWE技术的发展，使其性能接近或可能超过现有的PEMWE技术，这对于绿色氢能的生产具有重要意义。

二、【科学贡献】

图1 NiX LDH电催化剂的OER活性。© 2024 Nature Catalysis

图2 操作O K边XAS和O-529 eV的动力学。© 2024 Nature Catalysis

图3 计算O K边。© 2024 Nature Catalysis

图4 使用NiFe LDH CCM的AEMWE单槽测量。© 2024 Nature Catalysis

三、【 创新点】 

1．通过原位光谱学研究，揭示了Ni⁴⁺中心与氧化还原活性氧配体之间的相关性，这种相关性表现为O K边特征，被归因于γ-LDH催化相中的μ₃-O配体。通过密度泛函理论计算进一步证实了这一点。

2.   这项计算-实验研究挑战了之前关于Ni基LDH催化剂中光谱O K边特征与氧进化反应（OER）性能之间相关性的假设，并从分子到技术层面提供了洞见。

四、【 科学启迪】

        该研究致力于阴离子交换膜水电解（AEMWE）领域，旨在开发更优质的催化剂和膜电极组件，以缩小与质子交换膜水电解（PEMWE）的性能差距。通过设计具有氧化还原活性Ni-O配体的催化剂在提升AEMWE性能中的关键作用，为未来催化剂的设计提供了新的方向。通过结合计算模拟和实验研究，该研究展示了如何通过材料创新来提升技术性能，这对于AEMWE技术的发展具有重要的启示意义。研究中提到的AEMWE技术在实现高性能的同时，也考虑了成本效益，这对于实现绿色氢能的商业化生产具有重要的指导意义。AEMWE中催化剂作用机制的新理解，而且推动了AEMWE技术的发展，使其性能接近或可能超过现有的PEMWE技术，这对于绿色氢能的生产具有重要意义，并为未来的研究方向提供了指导

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