阴极钝化抑制技术使得在百安培电流下实现超稳定的、行业领先的碱性水电解过程成为可能

《Energy & Environmental Science》：Cathode passivation suppression enables ultrastable industry-leading alkaline water electrolysis at hundred-ampere currents

　　碱性水电解槽阴极极化抑制策略研究。通过Ru纳米颗粒修饰RANEY? Ni阴极，重构电极界面水分网络结构，加速水分解离及氢氧根离子传输，降低极化电位，实现10 A cm^-2高电流密度和2.3 V低工作电压。经2500小时测试，系统氢能效率达84.2%，单位能耗4.20 kWh/Nm^-3，制氢成本0.93 $/kg，显著优于2026年美国能源部目标

　　

行业领先的碱性水电解（AWE）技术仍受到电流密度低（<0.3 A cm^?2）的限制，这是由于商用RANEY?镍阴极在运行过程中因阴极氧化而发生钝化所致。这种钝化会在电极界面形成Ni(OH)₂/NiOOH绝缘层，阻碍电子转移并增加电阻，从而限制了电流密度。为此，我们提出了一种通过引入Ru纳米颗粒（Ru_NPs）来重构电极界面水网络结构的钝化抑制策略，具体方法是将Ru_NPs沉积在RANEY?镍基底上（即Ru_NPs@RANEY?镍）。研究发现，界面水的排列方式发生变化后，水的解离速率加快，进而改变了局部pH值，促进了氢氧根离子在电极界面的传递。这一过程抑制了电极电位的正向偏移，而电极电位的正向偏移与钝化现象密切相关。使用Ru_NPs@RANEY?镍电极的碱性水电解器在2.3 V的低电池电压下能够实现高达10 A cm^?2的电流密度，并且在1.0 A cm^?2的电流密度下持续运行2500小时后仍保持优异的稳定性。该系统的能量消耗为4.20 kWh Nm^?3 H₂，能量效率达到84.2%（基于氢气的较高热值）；在1.0 A cm^?2的电流密度下，氢气产率为41.2 NL h^?1，生产成本为0.93美元/kg H₂（基于100 cm²的电极面积）。这些成果表明，抑制阴极钝化对于实现高性能的碱性水电解器至关重要。