摘要：近日，中石化（北京）化工研究院有限公司催化科学研究所AEM电解水制氢团队与天津大学团队合作在化学领域国际顶级学术期刊Angewandte Chemie《德国应用化学》上发表面向工业级阴离子交换膜电解水（AEMWE）析氢催化剂的最新研究成果。论文题目为“Ni掺杂

近日，中石化（北京）化工研究院有限公司催化科学研究所AEM电解水制氢团队与天津大学团队合作在化学领域国际顶级学术期刊Angewandte Chemie《德国应用化学》上发表面向工业级阴离子交换膜电解水（AEMWE）析氢催化剂的最新研究成果。论文题目为“Ni掺杂调控Ru/RuO2界面的内建电场强度提高安培级电流氢转换性能”(ModulaTing Built-In Electric Field Strength in Ru/RuO2 Interfaces through Ni Doping to Enhance Hydrogen Conversion at Ampere-level Current)。北化院冯英杰与天津大学尹燕、张俊锋为共同通讯作者。

论文简介

可再生能源电解水制氢被认为是重要的绿氢技术。在各种电解水制氢技术中，阴离子交换膜电解水（AEMWE）由于其工作环境温和、低成本和动态响应速度快，以及适应可再生能源的间歇性和波动性的特点，是备受期待的电解水技术。然而，在碱性环境中，商用Pt/C催化剂析氢反应（HER）成本高，限制其大规模应用。因此，设计和构建低成本的阴极催化剂，对AEMWE至关重要。论文通过开发低成本的非Pt催化剂，实现了大电流密度下稳定制氢，并系统研究了内在的强化机制。

该工作首先采用DFT计算，通过这两个参数（OVF和ΔΦ）来筛选高性能催化剂。氧空位形成能（OVF）可以评估结构中形成氧空位的难易度，而M-RuO2（M=Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn）和Ru的功函数（ΔΦ）与形成异质结构的BIEF强度密切相关。由于Ni-RuO2与Ru的功函数（ΔΦ）相差较大，并且掺杂Ni能有效降低RuO2的OVF值，研究者通过水热-煅烧法合成了Ni掺杂的RuO2（Ni-RuO2）催化剂。得益于Ni-RuO2/Ru异质结界面的强BIEF效应，Ni-RuO2在1 A cm-2的电流密度下过电位仅为134 mV。基于Ni-RuO2催化剂组装的AEMWE在60°C下以1 A cm-2的电流密度稳定运行超过1000小时。DFT计算进一步表明，Ni-RuO2/Ru界面的BIEF诱导了界面电子重新分布，优化了H吸附吉布斯自由能，从而提高了HER性能。

该研究通过杂原子掺杂精确构建和调节界面BIEF，为设计高效的安培级电流密度碱性HER电催化剂提供了一种有效的策略，为工业化电催化材料设计和开发提供了新的研究思路与范式。

图1.Ni-RuO2的电解槽性能和催化机理图

论文信息

Modulating Built-In Electric Field Strength in Ru/RuO2 Interfaces through Ni Doping to Enhance Hydrogen Conversion at Ampere-level Current，Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421869.

课题组介绍

中石化北化院AEM电解水团队以阴离子膜AEM电解水制氢和相关电催化技术和应用开发为核心，围绕阴离子膜、催化剂、膜电极、电堆等关键核心材料与工业化装备，电化学反应机制机理等开展研究与攻关，在阴离子膜、非贵/低贵金属析氢析氧催化剂、大面积膜电极技术以及电堆结构设计等多项关键技术节点获得自主知识产权技术。

天津大学氢电转换能源材料研究室依托于先进内燃动力全国重点实验室和天津大学-国家储能技术产教融合创新平台，以新型、清洁和高效的新能源转化技术为主攻方向，主要开展聚合物电解质燃料电池和电解水技术的研究，涉及聚合物电解质膜的合成、电化学催化剂的制备、膜和催化剂材料研究、膜电极技术以及燃料电池的水热管理模拟等，是一个化学、化工、材料和机械等多学科交叉的科研平台。

来源：中国石化