动态极化调控镍电极实现碱性条件下可持续规模化水电解

研究人员针对碱性条件下OER（氧析出反应）催化剂活性与稳定性难以兼顾的难题，通过动态极化控制策略，周期性施加还原电位促进Fe3+从KOH电解液向Ni电极的再沉积，实现了Ni电极的持续活化。该策略使阴离子交换膜电解槽（AEMWE）在1A cm-2电流密度下稳定运行超1000小时，电压仅1.8V，并成功拓展至25 cm2三电堆系统。该研究为规模化电解水技术提供了普适性解决方案。

　　

水电解制氢技术是清洁能源转型的关键，但其大规模应用受限于阳极氧析出反应（OER）催化剂的高成本和低稳定性。尽管镍（Ni）基材料因其低成本成为碱性OER的候选催化剂，但在工业级电流密度（>0.5A cm^-2）下，活性位点的动态溶解导致性能快速衰减。传统策略通过化学修饰调控Fe吸附能，但无法平衡高过电位下的溶解-再沉积动力学。针对这一瓶颈，首尔大学团队在《Nature Communications》发表研究，提出动态极化控制策略，通过周期性还原电位干预，实现Ni电极的持续自修复与性能提升。

研究采用循环伏安法（CV）、原位拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术，结合半电池与AEMWE全电池系统验证。通过Fe同位素示踪实验，定量解析电解液中Fe³⁺的动态迁移机制；利用25 cm²三电堆验证规模化可行性。

动态极化控制实现Ni电极持续活化
在1M KOH（含76 ppb Fe杂质）中，周期性施加0.6 V_RHE还原电位（间隔1小时OER运行），使Ni电极在0.5A cm^-2下的过电位降低274±8 mV。CV和原位拉曼证实该策略选择性诱导α-Ni(OH)₂/γ-NiOOH相形成，其氧化还原峰电流提升4倍，且还原态稳定性延长至3分钟（常规操作仅维持30秒）。

Fe掺杂机制解析
ICP-MS显示动态极化使Ni电极Fe含量达5.5±1.3 μg cm^-2，较静态操作提升2.3倍。XPS证实Fe掺杂增加晶格氧（O_L）比例（52.3%→61.8%）和Ni³⁺/Ni²⁺比（1.02→1.31），促进催化活性位点再生。Fe⁵⁷同位素实验揭示高电流密度（0.5A cm^-2）下Fe溶解量达60%，而动态极化可逆地再沉积电解液Fe。

多电极普适性与AEMWE验证
该策略适用于Ni泡沫（过电位降335±3 mV）和不锈钢毡（SS），但Co/Fe泡沫因Fe吸附能差异活化效果有限。在AEMWE单电池中，-0.3V极化使1A cm^-2下电压从2.1V降至1.8V，系统效率提升至71±1%。采用高性能HQPC-TMA膜时，运行1050小时电压仅上升50 mV，而商用X37-50膜因阳离子基团损失导致性能衰减。

规模化三电堆验证
25 cm²三电堆在300小时运行中保持1.8V/单池电压，电荷转移电阻降低0.13 Ω cm²，证实策略的工程化潜力。

该研究创新性地通过电化学调控界面微环境，解决了高电流密度下催化剂动态失活的行业难题。相比传统化学修饰，动态极化策略无需复杂电极设计，可直接应用于商业Ni基材料，为绿色制氢设备的低成本长寿命运行提供新范式。其核心价值在于将Fe溶解-再沉积的“不利因素”转化为持续活化的驱动力，为其他动态电催化界面调控提供了普适性方法论。