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在阴离子交换膜水电解（AEMWE）中，阳极析氧反应（OER）存在动力学限制等问题。研究人员开展飞秒激光诱导多孔镍表面结构化替代阳极催化剂层的研究。结果显示，该方法可提升性能，为改善 PTL 性能提供新途径。
在当今能源转型的大背景下，氢气作为一种重要的无碳能源载体，备受关注。目前，水电解制氢技术中，质子交换膜水电解（PEMWE）虽有高电流密度等优势，但依赖昂贵的贵金属催化剂且需在酸性环境下运行；碱性水电解（AWE）虽使用廉价的非贵金属催化剂，却面临能量效率低、气体交叉渗透和腐蚀性环境等问题。阴离子交换膜水电解（AEMWE）则结合了两者的优点，可在温和碱性条件下使用低成本过渡金属催化剂进行析氢反应（HER）和析氧反应（OER），然而，其阳极析氧反应存在动力学限制，需要较大的过电位，这成为制约 AEMWE 发展的关键因素。
为了解决这一问题，国外研究人员开展了关于飞秒激光诱导表面结构化多孔镍替代阳极催化剂层用于碱性析氧反应的研究。他们发现，通过飞秒激光处理，可在镍毡表面形成多种独特的表面形态，显著提升相关性能。该研究成果发表在《Applied Surface Science Advances》上，为 AEMWE 的发展提供了新的方向和可能。
在研究方法上，研究人员主要运用了飞秒激光加工技术，通过调整激光能量密度等参数在镍毡表面制备不同结构。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDX）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对表面结构进行表征。采用电化学工作站进行循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LV）、电化学阻抗谱（EIS）以及计时电位法等电化学测试。
表面和形态表征
研究人员利用多种显微镜技术观察发现，飞秒激光处理使镍毡纤维表面形成了不同结构。高空间频率激光诱导周期性表面结构（HSFL-LIPSS）呈现出规则的纳米波纹状，其周期性显著小于激光波长的一半。混合批次则同时存在 HSFL 和烧蚀结构。烧蚀批次（Ablation 1 和 Ablation 2）呈现不规则表面结构，且 Ablation 2 的微尺度熔腔更深更多。通过 CLSM 量化计算得出，LIPSS、混合结构、Ablation 1 和 Ablation 2 的纤维表面积分别增加了 4 倍、6 倍、7 倍和 9 倍。EDX 元素映射显示，表面氧化使得烧蚀结构的氧含量更高。
电化学非原位评估
电化学测试表明，激光处理增强了电极活性，降低了过电位，与未处理的镍毡相比，在 10 mA cm?2和 100 mA cm?2下过电位分别降低了 6.5% 和 9.6%。虽然烧蚀结构表面积大，但由于氧气泡易被困在纳米腔内，阻碍了活性位点参与反应，其析氧反应（OER）活性并未提高。通过计算 CV 中 Ni (II)/Ni (III) 峰的电荷可知，烧蚀结构的氧化电荷最高，但 Ablation 2 因深窄腔结构影响，电化学活性未增强。此外，激光结构化批次的 Tafel 斜率与不同催化剂相当，且激光结构化未加速材料降解，LIPSS 结构的降解抗性最高。
电化学原位评估
原位极化曲线显示，在低电流密度下，所有激光处理的 PTL 均降低了活化损失，LIPSS 批次的电池电压最低。在高电流密度下，LIPSS 批次能维持线性增长，在 2.0 V 时电流密度达到 1.32 A cm?2，而其他批次存在质量传输限制。这是因为 LIPSS 结构的周期性形态促进了电解液分布和气泡脱离，而烧蚀结构的不规则表面在与膜接触时，部分区域被隔离，无法充分发挥高表面积的优势。
研究结论和讨论部分指出，飞秒激光脉冲在镍毡表面成功构建了多种独特的表面形态。电化学测试表明，激光处理显著降低了过电位，在无催化剂层的情况下，性能仍与现有先进电极相当。虽然烧蚀结构表面积大，但气泡捕获问题限制了其性能提升。LIPSS 结构在降低活化损失和提高电流密度方面表现出色，其独特的周期性拓扑结构优化了电解液流动。该研究为 AEMWE 中阳极催化剂层的替代提供了新的有效方法，为进一步提高 AEMWE 的效率和性能奠定了基础，有望推动该技术的实际应用和发展。
