华中科技大学材料学院李箐团队在高性能电解水制氢领域取得重要进展

（通讯员毛佳伦） 2月21日，《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）在线刊发材料学院李箐教授研究成果“电化学锂化调控钌锡合金纳米线活性氢供给实现高效析氢反应应用于高性能阴离子交换膜电解槽”（Electrochemical Lithiation Regulates the Active Hydrogen Supply on Ru–Sn Nanowires for Hydrogen Evolution Toward the High-Performing Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer）。我校材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位，李箐为唯一通讯作者，该团队成员博士生毛佳伦为第一作者，材料学院黄云辉教授等对该工作的数据分析提供了大力支持。

氢能发展对解决能源和环境问题至关重要，水电解制氢是实现其商业化的重要途径。在各种电解水技术中，阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其使用非铱基催化剂而具有显著的成本优势，能够在工业规模（≥1 A/cm）的输出电流密度下显著降低成本。然而，在AEMWE的阴极氢析出反应（HER）中，活性氢的供应依赖于动力学缓慢的水解离过程（Volmer步骤），这导致目前商业催化剂的活性难以达到大规模商业应用的性能要求。因此，开发高性能的阴极电催化剂以提升碱性HER的活性对于AEMWE的商业化至关重要。钌（Ru）基催化剂因其较低的成本、较低的水解离能垒和与铂（Pt）相当的氢吸附能力，被认为有潜力替代传统的Pt基催化剂。

本研究采用电化学锂化策略，将锂嵌入直径小于2纳米的钌锡（Ru-Sn）合金纳米线晶格中。通过调控锂离子电池组装过程中的截止电压与电流密度，可实现锂含量的精准调节。在电化学测试过程中，纳米线晶格中锂的部分溶解进一步提升了样品的析氢反应性能。通过原位拉曼光谱与原位X射线吸收光谱，揭示了电化学过程中电极结构及界面水分构型的动态演变规律。理论计算表明，锂的嵌入可有效降低钌锡纳米线的水解离能垒，而溶解的Li⁺通过与更多水分子配位，可显著增加界面水分子密度并提升氢键网络的连通性。

本研究得到的锂化的钌锡（Li-Ru-Sn）纳米线在实验室环境中表现出了卓越的性能，在电流密度达到300 mA cm^-2时，其过电位仅为130mV，而在稳定性测试中，该样品在该电流密度下的过电位降低至97 mV，随后稳定运行。以该催化剂作为阴极组装的AEMWE也展现了非凡的表现，在1 A cm^‑²的工业级大电流密度下，以较低的槽压（1.689 V）稳定运行1000小时以上。以上测试结果表明，本研究制备的Li-Ru-Sn纳米线是目前文献中报道的性能最优异的碱性HER催化剂之一。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c17373