研究背景
随着可再生能源的普及，绿色氢气的生产日益受到关注，其中水电解是实现可持续氢气生产的重要技术之一。水电解主要包括质子交换膜水电解（PEMWE）、液体碱性水电解（AWE）和阴离子交换膜水电解（AEMWE）三种类型。尽管PEMWE因其高电流密度和较低的电池电压而在市场上占据领先地位，但其对稀缺的贵金属催化剂及全氟化膜的依赖，造成了材料成本高和供应不稳定等问题。这使得AWE技术的优势逐渐显现，然而其电流密度和功率密度相对较低，导致大规模应用时堆叠体积较大，影响了其负载灵活性。
因此呢，AEMWE结合了PEMWE和AWE的优点，展现出良好的发展前景，尤其是在催化剂和膜电极组件的设计方面取得了显著进展。尽管无铱的AEMWE电池在性能上仍落后于PEMWE电池，但研究者们正积极探索高性能的无铱催化剂与催化剂涂层膜的制备方法，以实现电流密度超过5 A cm−2且电池电压低于2 V的目标。
成果简介
为此，柏林工业大学P. Strasser教授以及亥姆霍兹柏林材料与能源中心H. Trzesniowski等团队携手在Nature Catalysis期刊上发表了题为“High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands”的最新论文。科学家们针对镍基层状双氢氧化物（LDH）催化剂进行了深入研究，发现其催化活性与红氧活性Ni-O物种及其在催化相中的相变密切相关。通过结合计算与实验的研究方法，揭示了催化剂性能提升的机制，为AEMWE技术的进一步发展提供了理论支持与实践指导。
研究亮点
（1）实验首次设计和组装了无铱的阴离子交换膜水电解（AEMWE）电池，采用镍基层状双氢氧化物（LDH）作为催化剂涂层，成功实现了电流密度超过5 A cm−2，电压低于2.2 V，显示出与最先进的质子交换膜水电解（PEMWE）电池相近的性能。
（2）通过原位光谱分析，揭示了Ni4+中心与红氧活性O配体之间的耦合，确认了催化相中的μ3-O配体在电化学反应中的重要性。这一发现通过密度泛函理论（DFT）计算得到支持，显示出O K边特征与催化活性之间的关系，提供了新的见解。
（3）实验结果表明，在电池电压1.8 V时，AEMWE电池的效率达到82%，并维持>2 A cm−2的电流密度，特别是在电极的红氧电化学特性上，证明了镍铁LDH阳极在氧气演化反应中的优越催化性能。
（4）通过创新的催化剂涂层膜（CCM）制备方法，成功实现了无铱催化剂在AEMWE中的应用，展现出其在大规模可持续氢气生产中的潜力，从而推动了该领域的技术进步。
图文解读
图1: NiX层状双氢氧化物layered double hydroxide，LDH电催化剂的析氧反应oxygen evolution reaction，OER活性。
图2: 动态原位O K边缘X射线吸收光谱X-ray absorption spectroscopy，XAS，并遵循O-529eV动力学。
图3:计算K-边。
图4: NiFe层状双氢氧化物LDH 催化剂涂覆膜catalyst-coated membrane，CCMs的阴离子交换膜电解水anion-exchange membrane water electrolysis，AEMWE单细胞测量。
结论展望
本文的研究展示了无铱（Ir-free）阴离子交换膜水电解（AEMWE）电池在氢气生产方面的优越性能，其极化特性和产氢能力接近目前最先进的酸性质子交换膜水电解（PEMWE）电池。
通过可扩展的涂层工艺，结合高活性的镍铁层状双氢氧化物（NiFe LDH）催化剂，本研究深入揭示了催化剂的分子特性与其电化学反应性的关系。这种创新不仅推动了AEMWE电池的性能提升，还为开发更高效、成本更低的氢气生产解决方案奠定了基础。
研究表明，催化反应的效率并非仅依赖于氧化还原活性物种的存在，更多的动力学障碍也在起作用。这一发现促使我们重新思考催化剂的设计原则，强调了将在线实验与理论计算结合的重要性，以期深入理解电催化过程中的电子与结构特征的相互作用。
文献信息
Klingenhof, M., Trzesniowski, H., Koch, S. et al. High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands. Nat Catal (2024).