清華新聞網(wǎng)12月16日電 利用可再生能源（如風(fēng)電、光伏）電解水生產(chǎn)綠氫，是促進(jìn)綠電消納和工業(yè)脫碳、實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑。其中，技術(shù)成熟、成本較低的堿性水電解是當(dāng)前綠氫生產(chǎn)的主流技術(shù)，但其耦合波動(dòng)性可再生能源時(shí)，頻繁啟停會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的“反向電流”現(xiàn)象，導(dǎo)致陰極氧化、陽(yáng)極還原，引發(fā)電極腐蝕、界面剝離，嚴(yán)重影響電解效率與設(shè)備壽命。這一動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性難題，成為制約堿性電解槽與可再生能源大規(guī)模、高效耦合的關(guān)鍵瓶頸。
近日，清華大學(xué)化工系張強(qiáng)、唐城團(tuán)隊(duì)在波動(dòng)性新能源制氫關(guān)鍵材料領(lǐng)域取得重要突破。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“梯度異質(zhì)界面工程”策略，成功開(kāi)發(fā)出具有優(yōu)異抗反向電流特性與工業(yè)級(jí)電解性能的新型電極材料。該成果為破解可再生能源間歇性電解的關(guān)鍵瓶頸提供了全新的材料解決方案，有望推動(dòng)綠氫產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
圖1.（a）堿性電解槽停機(jī)后“反向電流”產(chǎn)生機(jī)制；（b）停機(jī)期間催化層脫落和電極腐蝕示意圖；（c）“梯度異質(zhì)界面工程”策略和電極穩(wěn)定性提高示意圖
區(qū)別于傳統(tǒng)的材料組成與電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向?qū)缑婢w學(xué)結(jié)構(gòu)的精密調(diào)控。通過(guò)熱注入工藝在商業(yè)鎳網(wǎng)基底上原位生長(zhǎng)出具有Ni/Ni3S2梯度異質(zhì)界面過(guò)渡層的Ni3S2催化層。該結(jié)構(gòu)通過(guò)“無(wú)縫界面”有效緩解了異質(zhì)材料間的晶格失配和應(yīng)力，促進(jìn)了電荷再分配，從根本上增強(qiáng)了界面在劇烈電位反轉(zhuǎn)和高電流密度下的機(jī)械與電化學(xué)穩(wěn)定性。在80°C、30 wt% KOH的工業(yè)測(cè)試條件下，該電極不僅達(dá)到美國(guó)能源部2026年堿性電解的活性目標(biāo)（1000 mA cm?2@1.79 V），更實(shí)現(xiàn)了3600次啟停循環(huán)的嚴(yán)苛工況下性能零衰減，展現(xiàn)出工業(yè)應(yīng)用的巨大潛力。
圖2.（a，b）電極“基底-過(guò)渡層-催化層”界面的表征；（c）模擬反向電流的加速老化實(shí)驗(yàn)；電極作為（d）陰極和（e）陽(yáng)極進(jìn)行4000圈加速老化測(cè)試后的電極界面表征；（f）電極在工業(yè)條件下的性能；（g）電極在工業(yè)條件下的啟停穩(wěn)定性測(cè)試
研究成果以“適用于1000 mA cm?2堿性電解槽的抗反向電流異質(zhì)界面電極”（Heterointerface-Enabled Anti-Reverse-Current Electrodes for Alkaline Water Electrolyzers at 1000 mA cm?2）為題，于12月11日在線(xiàn)發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。
清華大學(xué)化工系教授張強(qiáng)、副研究員唐城為論文共同通訊作者，清華大學(xué)化工系博士后何文君、北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士后王越帥、哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院2023級(jí)碩士生趙逸龍為論文共同第一作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、華能集團(tuán)科技研究項(xiàng)目和清華大學(xué)自主科研計(jì)劃的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.5c17603
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
