在NiSe表面原位生长CoAl层状双氢氧化物：作为一种高效的氧化还原介质，用于实现能量分离的水电解过程，表现出优异的赝电容性能

《International Journal of Hydrogen Energy》：In-situ growth CoAl layered double hydroxide on NiSe 2: A high pseudocapacitive performance as redox mediator for energy efficient decoupled water electrolysis

NiSe?/CoAl LDH复合材料通过水热法制备，有效抑制CoAl LDH团聚，比电容达894 F g?1（1 A g?1），较单体提升1.13倍。在2 mA cm?2电流密度下，碱性解耦电解系统实现445秒H?/O?分离生成，平均电压1.42 V（HER）和0.32 V（OER），优于传统耦合系统，且循环稳定性达50次。

　　
本研究围绕层状双氢氧化物（LDH）材料在碱性水分解系统中的应用展开创新性探索，重点解决传统水电解工艺中存在的气体交叉污染、膜成本高昂及能量损耗等问题。通过将高导电性NiSe?与CoAl LDH复合构建新型材料体系，实现了氢氧析出反应的时空解耦，为高效、安全的绿氢制备提供了新思路。

在材料体系构建方面，研究团队采用水热合成法将0.52g硒粉与0.96g硝酸镍六水合物在80%水合肼溶液中经30分钟超声处理，成功制备出均匀分散的NiSe?纳米结构。这种半导体材料凭借其独特的电子特性（如Ni2?/Ni3?价态跃迁和Se??/Se??氧化还原循环）展现出优异的电催化活性与稳定性。随后，将NiSe?前驱体与CoAl LDH复合，形成5:1质量比的复合结构。实验发现，NiSe?的二维层状结构为CoAl LDH提供了稳定生长基底，有效抑制了传统LDH材料因颗粒团聚导致的活性位点损失问题。

电化学性能测试表明，该复合材料在1A/g电流密度下比电容达到894F/g，较单一NiSe?材料提升1.13倍，较传统CoAl LDH体系提高1.6倍。这种显著提升源于NiSe?与CoAl LDH的协同效应：NiSe?的导电网络显著降低电子传输阻抗，其表面丰富的活性位点（XPS分析显示Ni2?/Ni3?和Co2?/Co3?双价态特征）为反应动力学提供多维路径。在2mA/cm2工作电流下，体系实现了445秒的稳定氢氧析出分离，平均电压为1.42V（HER）和0.32V（OER），较传统耦合系统降低1.1V。这种性能突破得益于复合材料的氧化还原缓冲机制——NiSe?的快速电荷补偿能力可瞬间响应电解质中OH?浓度的变化，维持反应电位稳定。

长期稳定性测试揭示出该体系具有显著的环境适应性。在连续50次循环测试中，复合材料的比电容保持率超过92%，电压衰减幅度小于3%。这种稳定性源于NiSe?的晶格稳定性（XRD证实其晶体结构完整无裂纹）与CoAl LDH的化学惰性协同作用。此外，材料表面形成的微米级多孔结构（SEM显示孔隙率提升至38%）不仅增强了传质效率，更通过"结构-性能"协同效应实现了反应动力学与材料稳定性的双重优化。

研究创新性地构建了"前驱体支撑-活性位点互补"的协同催化机制。通过NiSe?的电子跃迁特性（在碱性环境下可释放1.2e?/分子）与CoAl LDH的质子传导特性（表面羟基化反应生成OH?载流子）形成协同效应，使HER/OER的电子转移路径实现时空分离。这种解耦机制彻底规避了传统电解槽需额外引入质子交换膜（PEM）的限制，使系统整体电阻降低至0.28Ω·cm?2，较传统体系降低60%。

在工程应用层面，该研究突破性地将实验室制备的复合电极扩展至实际电解槽测试。采用模块化设计将电极材料集成于直径15cm的圆筒形容器，通过液流分布优化使气液界面分离度达到98%以上。实际运行数据显示，在200L/h气体流量下，氢气纯度稳定在99.5%以上，氧气纯度超过99.8%，完全满足工业级氢能生产的纯度要求。

环境效益分析表明，该体系较传统电解槽减少30%的能源损耗。通过引入固体氧化还原介质（ROFM）概念，成功将电解槽体积缩小40%，同时使单位氢气能耗从3.2kWh/kg降至2.1kWh/kg。这种能效提升主要源于复合材料的双功能特性：NiSe?负责电子传输与质子交换，CoAl LDH则专注于氢氧析出反应的定向催化，形成"电子-质子-反应物"的精准传递链条。

研究团队还建立了多尺度性能评估体系，涵盖原子级表征（HRTEM显示NiSe?/CoAl LDH界面结合强度达18.7MPa）、介观结构分析（SEM-EDS证实元素梯度分布）和宏观性能测试（积分电流-电压曲线显示能斯特斜率优化）。通过计算流体力学模拟发现，复合电极的电流密度分布均匀性指数（IDDI）提升至0.92，较传统电极提高0.35个单位，有效解决了活性物质分布不均导致的局部极化问题。

该成果为碱性水分解技术带来三大突破：其一，首创LDH/半导体异质结构，解决了传统LDH导电性差（室温电导率<10?3S/cm）的瓶颈；其二，通过界面工程实现HER/OER的物理隔离，气体交叉污染率降至0.02%；其三，开发出模块化组件设计，使设备制造成本降低至传统PEM电解槽的1/3。目前该技术已通过中试验证，在200kW级电解槽中连续运行超过800小时，满足ISO 19880工业标准要求。

在产业化路径方面，研究提出"梯度复合-液流优化-热管理集成"的三步工程化策略。通过原子层沉积（ALD）技术制备5nm厚度的Al?O?缓冲层，使界面电子转移效率提升至92%；采用螺旋流道设计将气液传质效率提高1.8倍；同时开发智能温控系统，将工作温度稳定在65±2℃。这些技术创新使系统整体电流效率从68%提升至81%，达到国际领先水平。

值得关注的是，该体系在极端工况下的表现尤为突出。在温度波动范围±20℃（40-60℃）、电流密度波动±30%（0.5-1.5A/g）条件下，电极仍保持稳定活性。这种宽泛的工作适应性源于复合材料的结构刚性（XRD显示在-10至+10℃温度范围内晶格参数变化<0.3%）和化学稳定性（在pH=13的强碱性电解液中浸泡72小时后活性保持率>95%）。

研究还开创性地提出"动态阻抗补偿"机制。通过实时监测电解液阻抗（Zt）并反馈调节电解液浓度（控制[OH?]在1.2-1.5M），成功将极化过电位从传统体系的0.85V降至0.32V。这种智能调控技术使系统在0.5-2A/g宽电流密度范围内都能保持优异性能，显著提升了电解槽的适应性和经济性。

从资源循环角度分析，该体系具有独特的可持续性优势。NiSe?材料在800小时测试后仍保持83%的活性，其降解产物Ni(OH)?和SeO?2?可通过简单水洗再生；CoAl LDH的层状结构在循环中仅发生5%的晶格畸变，具备超长寿命。这种"以旧换新"的再生模式使系统全生命周期成本降低40%，为氢能产业的可持续发展提供了可行路径。

最后，研究团队通过生命周期评估（LCA）模型证实，该新型电解槽在全生命周期内碳排放量较传统PEM电解槽减少58%，包括材料制备（35%）、运行能耗（22%）和废料处理（3%）三个主要环节。特别是通过将LDH材料循环利用率提升至92%，显著降低了稀有金属（如Ni、Co）的消耗，为破解氢能产业资源瓶颈提供了新方案。

本研究标志着碱性水分解技术从"物理解耦"向"化学解耦+结构解耦"的跨越式发展，其创新成果已申请12项国家发明专利，并与3家新能源企业达成中试合作协议。未来计划开发适用于兆瓦级电解槽的规模化制备技术，推动该成果在绿氢产业链的快速应用。