近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所孟国文、陈斌团队在双功能单原子催化电极的制备及高电流密度电解水制氢器件应用方面取得新进展。相关研究成果以“Iridium Single-Atom-Modulated Nickel Hydroxide for Boosting Overall Water Splitting”为题发表在国际期刊ACS Nano（ACS Nano,2025,DOI: 10.1021/acsnano.5c15995）上。
电解水制氢技术作为一种绿色可持续的氢能源获取方式，可将太阳能、风能等间歇式可再生能源所产生的绿色电能，转化为氢能源形式进行存储，有望解决可再生能源消纳困境。水分解反应包含阴极的析氢反应（HER）和阳极的析氧反应（OER），均需要高效催化剂促进反应的进行。目前，贵金属Pt和Ir/Ru基材料分别是HER和OER性能最优的催化剂，但其资源稀缺性和高昂成本严重阻碍了催化剂的规模化应用。将贵金属基催化剂的尺寸从颗粒减小到单原子级，可大幅提升贵金属的原子利用率，进而减少贵金属用量，降低电极的成本。然而，单原子催化剂的制备通常涉及载体材料合成、单原子负载等多个步骤，这种合成方法不仅工艺复杂、操作难度高，而且单原子与载体之间键合力较弱，在高电流密度（>500 mA cm-2）工况下运行时，单原子易发生团聚现象，导致催化剂的活性和稳定性难以满足工业电解水的实际应用需求。此外，贵金属单原子催化剂通常仅具备针对HER或OER的单一功能活性位点，电解槽频繁启停过程中产生的逆向电流易造成催化剂活性位点失活，严重影响电极的使用寿命。
鉴于此，研究人员提出一种工艺简单、反应条件温和的“一步水热”合成策略，在泡沫镍上原位生长Ir单原子锚定的超薄氢氧化镍纳米片（Ir−Ni(OH)2/NF），并将其用作HER和OER双功能催化电极。形貌表征结果显示，大量的超薄纳米片均匀生长在泡沫镍骨架上，形成三维的结构一体化电极。该结构设计不仅有利于电解液的输运和产生气体的脱附，而且有效避免了传统粉末涂覆型电极催化剂脱落问题，显著提升电极结构稳定性。球差电镜测试结果表明，Ir单原子均匀的分散在纳米片上。结合同步辐射X射线吸收精细结构（EXAFS）等表征手段，进一步证实Ir以接近+4价的单原子形式存在，并通过Ir-O-Ni键牢固锚定在Ni(OH)2纳米片上。特别是，所制备的Ir−Ni(OH)2/NF电极中Ir负载量仅为0.11 mg cm-2，比目前商业Ir基催化剂低1个数量级。密度泛函理论计算与实验结果证明，Ir的引入可以诱导Ni(OH)2基体产生氧空位缺陷，进而促使Ni(OH)2从p型半导体转变为n型半导体，载流子类型由空穴转变为电子，且载流子浓度增加近3个数量级，显著促进电极的电荷传输与转移。在OER过程中，Ir单原子位点不仅具有最佳的ΔGO*−ΔGOH*，还能有效激活Ni位点的OER活性；在HER过程中，Ni位点充当水解离中心，为Ir位点持续提供质子，通过Ni和Ir双位点的协同催化效应，显著提升HER活性，最终实现电极的高效双功能催化性能。
所构筑的Ir−Ni(OH)2/NF电极在1 M KOH溶液中展现出了优异的HER和OER性能，在10 mA cm-2电流密度时的过电位仅为23 mV和217 mV。将Ir−Ni(OH)2/NF结构一体化电极直接作为阴极和阳极，组装的碱水电解槽（ALKWE）在工业级高电流密度工况下性能表现突出，仅需要1.79 V的槽电压即可驱动500 mA cm-2电流密度。为验证电解槽在启停过程中的抗干扰能力，在500 mA cm-2电流密度下，即使施加−500 mA cm-2反向电流，其性能几乎没有衰减，证明该电极具备极强的抗逆向电流稳定性，可适应电解槽频繁启停的工业场景。此外，研究人员将Ir−Ni(OH)2/NF一体化电极作为阴极、阳极的催化剂层和气体扩散层，进一步组装了阴离子交换膜电解槽（AEMWE）。该电解槽性能更为优异，仅需1.54 V槽电压即可实现500 mA cm-2的电流密度，并且稳定运行225小时以上，性能没有明显衰减，展现出卓越的长期稳定性。与商用贵金属催化剂相比，Ir−Ni (OH)₂/NF在催化活性、稳定性以及制备成本等方面具有显著的技术优势，展现出良好的工业应用潜力。
该研究为单原子催化剂双功能活性位点的精准调控提供了理论指导，为高电流密度电解水制氢催化电极的高效制备提供了一种可行途径。固体所博士生万锐为论文第一作者，固体所孟国文研究员、陈斌研究员为论文共同通讯作者。相关研究工作得到了国家自然科学基金和合肥物质院院长基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15995
图1. Ir−Ni(OH)2/NF一体化电极的制备流程与形貌表征。
图2. Ir−Ni(OH)2/NF电极的结构表征。
图3. Mott-Schottky曲线与析氢反应路径吉布斯自由能图。
图4. 碱水电解槽与阴离子交换膜电解槽性能测试。
