隨著可再生能源的普及，綠色氫氣的生產日益受到關注，其中水電解是實現可持續氫氣生產的重要技術之一。水電解主要包括質子交換膜水電解（PEMWE）、液體堿性水電解（AWE）和陰離子交換膜水電解（AEMWE）三種類型。盡管PEMWE因其高電流密度和較低的電池電壓而在市場上占據領先地位，但其對稀缺的貴金屬催化劑及全氟化膜的依賴，造成了材料成本高和供應不穩定等問題。這使得AWE技術的優勢逐漸顯現，然而其電流密度和功率密度相對較低，導致大規模應用時堆疊體積較大，影響了其負載靈活性。
因此呢，AEMWE結合了PEMWE和AWE的優點，展現出良好的發展前景，尤其是在催化劑和膜電極組件的設計方面取得了顯著進展。盡管無銥的AEMWE電池在性能上仍落后于PEMWE電池，但研究者們正積極探索高性能的無銥催化劑與催化劑涂層膜的制備方法，以實現電流密度超過5 A cm?2且電池電壓低于2 V的目標。
為此，柏林工業大學P. Strasser教授以及亥姆霍茲柏林材料與能源中心H. Trzesniowski等團隊攜手在Nature Catalysis期刊上發表了題為“High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands”的最新論文。科學家們針對鎳基層狀雙氫氧化物（LDH）催化劑進行了深入研究，發現其催化活性與紅氧活性Ni-O物種及其在催化相中的相變密切相關。通過結合計算與實驗的研究方法，揭示了催化劑性能提升的機制，為AEMWE技術的進一步發展提供了理論支持與實踐指導。
（1）實驗首次設計和組裝了無銥的陰離子交換膜水電解（AEMWE）電池，采用鎳基層狀雙氫氧化物（LDH）作為催化劑涂層，成功實現了電流密度超過5 A cm?2，電壓低于2.2 V，顯示出與最先進的質子交換膜水電解（PEMWE）電池相近的性能。
（2）通過原位光譜分析，揭示了Ni4+中心與紅氧活性O配體之間的耦合，確認了催化相中的μ3-O配體在電化學反應中的重要性。這一發現通過密度泛函理論（DFT）計算得到支持，顯示出O K邊特征與催化活性之間的關系，提供了新的見解。
（3）實驗結果表明，在電池電壓1.8 V時，AEMWE電池的效率達到82%，并維持>2 A cm?2的電流密度，特別是在電極的紅氧電化學特性上，證明了鎳鐵LDH陽極在氧氣演化反應中的優越催化性能。
（4）通過創新的催化劑涂層膜（CCM）制備方法，成功實現了無銥催化劑在AEMWE中的應用，展現出其在大規模可持續氫氣生產中的潛力，從而推動了該領域的技術進步。
圖1: NiX層狀雙氫氧化物layered double hydroxide，LDH電催化劑的析氧反應oxygen evolution reaction，OER活性。
圖2: 動態原位O K邊緣X射線吸收光譜X-ray absorption spectroscopy，XAS，并遵循O-529eV動力學。
圖4: NiFe層狀雙氫氧化物LDH 催化劑涂覆膜catalyst-coated membrane，CCMs的陰離子交換膜電解水anion-exchange membrane water electrolysis，AEMWE單細胞測量。
本文的研究展示了無銥（Ir-free）陰離子交換膜水電解（AEMWE）電池在氫氣生產方面的優越性能，其極化特性和產氫能力接近目前最先進的酸性質子交換膜水電解（PEMWE）電池。
通過可擴展的涂層工藝，結合高活性的鎳鐵層狀雙氫氧化物（NiFe LDH）催化劑，本研究深入揭示了催化劑的分子特性與其電化學反應性的關系。這種創新不僅推動了AEMWE電池的性能提升，還為開發更高效、成本更低的氫氣生產解決方案奠定了基礎。
研究表明，催化反應的效率并非僅依賴于氧化還原活性物種的存在，更多的動力學障礙也在起作用。這一發現促使我們重新思考催化劑的設計原則，強調了將在線實驗與理論計算結合的重要性，以期深入理解電催化過程中的電子與結構特征的相互作用。
Klingenhof, M., Trzesniowski, H., Koch, S. et al. High-performance anion-exchange membrane water electrolysers using NiX (X = Fe,Co,Mn) catalyst-coated membranes with redox-active Ni–O ligands. Nat Catal (2024).
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