低成本高性能无铂族金属阴离子交换膜电解槽：NiMo基阴极结构优化研究

本研究针对阴离子交换膜水电解槽(AEMEL)中贵金属(PGM)催化剂成本高的问题，通过结构优化设计了一系列NiMo基阴极催化剂。研究人员系统研究了催化剂物理性质对电极结构和性能的影响，发现仅通过改变催化剂物理特性就可使AEMEL在1.0 A/cm2、60°C条件下工作电压降低120 mV。最终开发出完全不含PGM的AEMEL系统，性能接近含PGM电池，为低成本制氢技术提供了重要解决方案。

　　

随着可再生能源成本的大幅降低，利用电解水技术生产"绿氢"正受到广泛关注。然而，目前主流的碱性电解槽(AWE)和质子交换膜电解槽(PEMEL)都存在明显缺陷：前者使用高浓度KOH电解液(20-40 wt%)且电流密度低(0.2-0.4 A/cm²)，后者则需要昂贵的铂族金属(PGM)催化剂和钛基组件。阴离子交换膜电解槽(AEMEL)作为一种新兴技术，有望结合两者的优点，但现有高性能AEMEL仍普遍依赖PGM催化剂，这与降低成本的初衷背道而驰。

针对这一关键问题，国外研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表重要研究成果。该研究聚焦于开发低成本、高性能的无PGM催化剂，特别是对NiMo基阴极催化剂进行结构优化，系统研究了催化剂物理性质对电极结构和性能的影响机制。

研究采用多种先进表征技术：X射线衍射(XRD)分析晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)测定元素价态，拉曼光谱评估碳材料有序度，氮气吸附-脱附测试测定比表面积和孔径分布，透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)观察形貌特征。电化学性能通过旋转圆盘电极(RDE)测试和单电解池测试进行评估。

在"NiMo基催化剂表征"部分，研究团队制备了五种不同结构的NiMo催化剂(NiMo-a至NiMo-e)。XRD分析显示NiMo-a和NiMo-c中存在Ni₃C相，而NiMo-b和NiMo-c则含有NiO相。XPS证实NiMo-a中Ni以Ni⁰为主，而NiMo-b和NiMo-c则同时存在Ni⁰和Ni²⁺。拉曼光谱显示NiMo-a的I_D/I_G比为0.72，表明其碳载体石墨化程度最高。TEM显示NiMo-a颗粒分布最均匀(6-24 nm)，而NiMo-e颗粒最小(2-14 nm)但团聚严重。

"HER电催化活性"研究表明，在RDE测试中催化活性顺序为NiMo-a > NiMo-c > NiMo-b > NiMo-e > NiMo-d。NiMo-a在-0.35 V(vs. RHE)下电流密度达-8.5 mA/cm²，显著优于其他样品。这种优异的活性归因于其高度石墨化的碳载体、均匀分散的颗粒以及优化的介孔结构。

"NiMo基电极结构"分析发现，NiMo-a电极具有最均匀的离聚物和催化剂团聚体分布，而NiMo-b和NiMo-d电极出现明显开裂。催化剂层密度计算显示，NiMo-a最低(410.20 mg/cm³)，NiMo-d最高(565.306 mg/cm³)。这种结构差异主要源于粉末形貌、团聚体尺寸和电极制备工艺。

"含IrO_x阳极的NiMo基电极性能"测试显示，在1.0 A/cm²、60°C条件下，NiMo-a阴极的电池电压最低(1.91 V)，比性能最差的NiMo-e低120 mV。稳态测试中，NiMo-a电压稳定在1.96 V，表现出优异的稳定性。这种性能优势与NiMo-a中Ni-Ni₃C和Ni-MoO_x界面的电荷重分布效应密切相关，能有效降低H*吸附自由能。

研究还评估了三种无PGM阳极催化剂：NiFeO_x、CoFeO_x和镧锶钴氧化物(LSC)。其中LSC表现最佳，与PtNi阴极配对时电池电压仅1.69 V(1.0 A/cm²)，与IrO_x相当。最终，研究团队将最优的NiMo-a阴极与LSC阳极组合，构建了完全不含PGM的AEMEL，在1.0 A/cm²下电压为2.02 V，且稳定运行60小时后性能无明显衰减。

这项研究的重要意义在于：首先，通过精确调控NiMo催化剂的物理性质，实现了120 mV的电压降低，证明电极结构优化对提升AEMEL性能至关重要；其次，开发出性能与PGM催化剂相当的完全无PGM电解槽系统，为降低电解水制氢成本提供了可行方案；最后，系统阐明了催化剂粉末性质-电极结构-电池性能的构效关系，为后续催化剂设计提供了重要指导。该研究成果推动了阴离子交换膜电解槽技术的商业化进程，对实现低成本、可持续的氢能经济具有重要价值。