Enhancing the Selective OH⁻ Adsorption for Durable Alkaline Seawater Oxidation at Industrial Current Densities

Shangshu Hu, Jiao Yang, Yujuan Zhuang, Xueyao Li, Han Xu, Fuwang Hu, Zhishuo Yan, Chao Liu, Jianmin Yu*, Lishan Peng*

Nano-Micro Letters (2026)18: 288

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02133-8

本文亮点

1. 路易斯酸性调控，吸附选择性增强：构筑NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构，Ce(OH)CO₃的掺入诱导界面电荷重新分布，显著增强Ni和Fe位点的路易斯酸性，从而精准调控Cl⁻与OH⁻的吸附能，在海水电氧化过程中实现对OH⁻的选择性吸附。

2. 高稳制氢，成本低廉：选择性吸附策略提升了催化剂工业级耐久性，在1 A cm⁻²下稳定运行超450小时，集成到AEM电解槽中在1.92 V即达1 A cm⁻²电流密度，且在500 mA cm⁻²下能量效率高达68.59%，氢气成本低至0.97美元每加仑汽油当量，实现了高效与经济的双重突破。

研究背景

基于可再生能源驱动的海水电解制氢，作为一项前景广阔的能源转化技术，近年来受到广泛关注。目前，研究者们围绕阳极催化剂展开了大量探索，其中，镍铁层状双氢氧化物(NiFe-LDH)凭借镍与铁的协同催化效应，成为碱水条件下析氧反应性能最优的非贵金属催化剂之一。然而在碱性海水电解过程中，海水中的氯离子(约0.5 mol L⁻¹)不仅与OH⁻在活性位点上竞争吸附，还会在高电流密度下通过氯氧化反应导致催化剂严重腐蚀与失活，这意味着开发高性能海水电解阳极催化剂时，必须同时兼顾氧析出活性与抗氯离子腐蚀的稳定性，而非仅仅追求单一维度的催化活性。长期以来，研究者们在提升析氧反应活性方面取得了显著进展，然而对于工业级电流密度下的长期运行稳定性，却始终缺乏有效的解决方案。

内容简介

针对大电流下海水电解阳极的析氯竞争与腐蚀难题，中国科学院赣江创新研究院彭立山课题组跳出以往“表面排斥”或“物理屏障”的策略框架，提出从“排斥氯离子”向“选择性吸附氢氧根”的范式转变。通过构筑NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构，实现了对活性位点电子结构的精准调控。该策略带来了两方面的协同优化：一方面，Ce的引入重构了电子转移路径，将电子从Ni/Fe位点向Ce转移，显著增强了Ni和Fe的路易斯酸性，使得OH⁻在热力学上优先吸附于Cl⁻，从而有效抑制氯离子引发的腐蚀；另一方面，Ni/Fe d带中心的下移优化了含氧中间体(特别是*OOH)的吸附强度，大幅提升了本征析氧活性，确保了高电流密度下的催化效率。该策略跳出传统“被动防护”的思维定式，转而从电子结构层面主动调控竞争吸附的热力学偏好，通过单一的异质界面工程同步解决了高电流密度下氯离子侵蚀与催化活性衰减这两大核心瓶颈，为开发面向实际海水电解的工业级阳极催化剂提供了新思路。

图文导读

I NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构的精准合成

如图1所示，通过电沉积结合水热法合成了NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构催化剂，XRD分析确认了NiFe-LDH与Ce(OH)CO₃两相的共存及各自特征晶面；SEM揭示了NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃纳米花在珊瑚泡沫镍表面均匀分布的三维形貌；TEM进一步证实了NiFe-LDH与Ce(OH)CO₃之间形成清晰的异质界面；EDS元素面扫显示Ni、Fe、Ce在纳米片中分布均匀，与预期组成一致。

图1. NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃催化剂的设计、可控合成与结构表征。

II 阐明电子桥联结构调控OH⁻/Cl⁻吸附选择性

图2. NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃电子结构表征。

本研究结合XPS、XANES及EXAFS等多种实验表征手段，系统揭示了NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构中路易斯酸性增强的结构起源(图2)。XPS分析显示，Ce引入诱导了电子相互作用，NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃中Fe³⁺/Fe²⁺与Ni³⁺/Ni²⁺比值均显著升高。同时，氧空位与羟基氧比例的增加进一步支持了Ce诱导的电子重分布。

通过XANES与EXAFS分析共同揭示了Ce(OH)CO₃引入对NiFe-LDH电子结构与局部配位环境的调控机制。XANES分析表明，Ce(OH)CO₃的引入同时提高了NiFe-LDH中Ni和Fe的氧化态，这与XPS结果一致。EXAFS分析进一步证实，异质结构中Fe–O配位得到加强，并在Fe–M壳层中形成了界面Fe–O–Ce键，表明异质结处存在显著的界面相互作用。综合吸收边与EXAFS的证据，Ce(OH)CO₃促进了Ni–O–Fe–O–Ce电子桥联结构的形成。小波变换分析揭示的局部配位几何扭曲进一步印证了该界面键的形成。这些发现为NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构内的强界面相互作用提供了直接证据，这种增强的界面耦合在优化OH⁻优先吸附于Cl⁻的催化过程中起着关键作用。

III 优异的电化学活性和稳定性

图3系统地展示了所制备催化剂在模拟海水中的析氧反应活性和稳定性。电化学测试表明，NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃表现出优异的OER活性和动力学优势。具体而言，在模拟海水(1 M KOH + 0.5 M NaCl)中，该催化剂达到100 mA cm⁻²所需的过电位仅为221 mV，塔菲尔斜率低至31.37 mV dec⁻¹，显著优于NiFe-LDH(228 mV，40.16 mV dec⁻¹)和商业RuO₂(311 mV，86.47 mV dec⁻¹)，其OER活性优于报道的多种先进催化剂。尤为突出的是，在1 A cm⁻²的工业级电流密度下，NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃可稳定运行超过450小时，而NiFe-LDH仅在110小时后即发生急剧降解。电化学腐蚀测试显示，NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃具有更正的自腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度，表明其优越的耐腐蚀性。稳定性测试后的结构表征证实了催化剂纳米结构、化学成分和键合构型的良好保持。这些结果凸显了所开发催化剂在实际海水电解应用中，特别是在工业级电流密度下长期稳定运行方面的巨大潜力。

图3. NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃在碱性海水中的电化学性能测试。

IV 机理揭示

图4. NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃催化活性与稳定性提升的机理揭示。

图4-5通过多种表征与理论计算，系统揭示了NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃在海水电解中的催化机理。原位拉曼光谱显示，Ce(OH)CO₃的引入促使NiFe-LDH在更低电位下发生α-NiFe-LDH向γ-NiFeOOH的结构重构，加速了Ni²⁺向高价态(Ni³⁺/Ni⁴⁺)的转化。飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)定量分析表明，NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃表面OH⁻/Cl⁻信号强度比显著高于NiFe-LDH，证实了Ce(OH)CO₃掺入有效促进了OH⁻的优先吸附并抑制了Cl⁻的结合。理论计算进一步揭示了Ce(OH)CO₃的电子结构调控机制：差分电荷密度和Bader电荷佐证了Ce诱导界面电子重分布，形成Ni–O–Fe–O–Ce桥接框架，增强了Ni/Fe位点的路易斯酸性的结论。吸附能计算表明，Ce(OH)CO₃降低了OH⁻的吸附能，使其在热力学上优先占据活性位点；PDOS分析显示Ni和Fe的d带中心下移，优化了金属中心与反应物的相互作用；吉布斯自由能分析证实OER决速步能垒显著降低。综上，Ce(OH)CO₃通过构建桥接框架增强路易斯酸性，实现OH⁻选择性吸附与OER能垒降低的协同优化，赋予NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃优异的催化活性与抗氯腐蚀稳定性。

图5. 理论计算揭示电子调控机制。

V AEM电解槽测试

图6. AEM的电解槽性能。

图6评估了NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃电极在阴离子交换膜电解槽与实际海水模拟条件下的整体性能。该两电极体系在1 M KOH + 0.5 M NaCl模拟海水中，仅需1.92 V即可达到1 A cm⁻²的工业级电流密度，性能显著优于RuO₂/NF||Raney Ni/NF的对比体系。系统在500 mA cm⁻²下的能量效率高达68.59%，对应氢气生产成本低至0.97美元每加仑汽油当量，低于美国能源部2026年设定的目标。此外，该电解槽在500 mA cm⁻²下可稳定运行超过60小时无明显衰减，展现出长期耐久性的潜力。结果表明，该催化体系兼具卓越的活性、优异的稳定性及显著的经济优势，在工业级海水电解应用中展现出巨大的商业化潜力。

VI 总结

本研究提出了一种通过促进电子转移提升Ni、Fe位点路易斯酸性的策略，实现了对OH⁻的选择性吸附，并成功制备了NiFe-LDH/Ce(OH)CO₃异质结构催化剂，在碱性海水电氧化过程中实现了抗氯腐蚀稳定性与催化活性的协同优化。该催化剂在工业级电流密度下展现出卓越的活性和长期运行稳定性，将其集成至阴离子交换膜电解槽中，可在低电压下实现高效海水制氢，并表现出优异的能量效率与显著的经济优势，展示了该催化剂在工业级海水电解制氢中的巨大应用前景。该研究为腐蚀性环境下高稳定性阳极催化剂的设计提供了新思路，对推动低成本、可持续的绿色海水制氢技术发展具有重要意义。

作者简介

彭立山

本文通讯作者

中国科学院赣江创新研究院 副研究员

▍主要研究领域

(1)电解水；(2)氢/金属燃料电池；(3)有机电合成。

▍主要研究成果

主持国家自然科学基金(青年、面上)、江西省“杰出青年”基金、江西省重点研发计划项目等10余项，并参与国家重点研发计划、国自然重点项目、中国科学院“先导”项目等。针对氢能电化学转化体系催化剂研发，发表SCI论文80余篇，其中一作或通讯作者论文发表在包括Joule、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、ACS Catal.、Chem. Sci.、Sci. Bull.等顶级期刊，被引6600余次，H因子40。申请中国发明专利20余项，获授权10余项；担任eScience、Nano Materials Science和Exploration等期刊青年编委。

▍Email：lspeng@gia.cas.cn

余建敏

本文通讯作者

中国科学院赣江创新研究院 助理研究员

▍主要研究领域

(1)光催化分解水；(2)电解水；(3)氧还原电催化。

▍主要研究成果

2021年于韩国成均馆大学获得理学博士学位，2021-2023年在深圳大学和中国科学院理化技术研究所从事博士后研究。目前主要从事无机纳米功能材料的可控制备和性能研究，目前在ACS Nano, J. Energy Chem., EES Catal., Nano Energy, Small Methods, Carbon Energy, 等SCI期刊发表论文50余篇。

▍Email：jmyu@gia.cas.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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