北化新闻网3月6日电 3月6日，北京化工大学孙晓明、周道金团队与香港城市大学刘彬教授团队合作，揭示了耦合波动性可再生能源的电解（海）水过程中制氢阴极存在的氧化与腐蚀等问题，并基于此提出了原位构建多层钝化结构以抵抗停车工况下阴极的氧渗透，为解决碱性电解槽和阴离子交换膜电解槽耦合波动性能源的瓶颈难题提供了新方案。相关成果以“10,000小时稳定的间歇碱性海水电解（10,000-h-stable intermittent alkaline seawater electrolysis）”为题，发表在《自然》（Nature）杂志上。北京化工大学2022级硕士生沙琪昊及已毕业博士生王士元为本文的共同第一作者，北京化工大学为第一完成单位。
图 间歇水/海水电解循环下阴极的氧化和腐蚀示意图（A），定量分析阴极在停车工况下的氧化电位（B，C），启停后球差电镜图（D，E）及电极间歇电解稳定性测试（F）
由可再生能源电力（绿电）驱动电解水被认为是可持续生产“绿氢”、实现双碳目标的重要方式。但目前主流的碱性电解水技术存在稳定性差、与可再生能源衔接难的挑战。可再生能源具有间歇性、波动性和随机性的特点，研究团队发现，耦合波动性可再生能源的水电解阴极在停车工况下存在反向电流，该反向电流在12小时停车时间内可使阴极电压升高至1.09 V（vs. RHE）,使得金属态的阴极催化材料面临电解液中OH-的过度氧化。若采用海水作为原料水，海水中大量卤素离子（Cl-，Br-）在停车工况下将使阴极面临更严重的腐蚀挑战。
针对上述难题，研究团队合成了基于金属磷化物纳米阵列并覆盖氧化层的NiCoP-Cr2O3催化析氢电极，并揭示了上述析氢电极电解海水启停工况下的动态重构过程。停车工况下原位生成氧化钴-磷酸钴-氧化钴组成的多层钝化层有效抵抗停车工况下的氧渗透，阻止OH-对活性Ni的过度氧化，使得活性位点可以在下一次析氢循环启动时被重新活化，从而提高催化活性中心在电流/电压波动工况下的可循环性与稳定性。使用这种设计策略的电极可以在碱性海水中以工业电流密度（0.5 A cm−2）间歇电解10,000小时，电压增长率仅为0.5% khr−1。在超大电流（10 A cm−2）条件下间歇工作，仍保持了较好的稳定性（1.8% khr−1@700hr）。
该工作提出了新的钝化机理和材料设计策略，为解决析氢电催化剂在波动电解过程中的性能衰减问题提供了新的思路，为促进可再生电力驱动的（海）水电解技术的工业化提供了关键技术支持。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08610-1
作者介绍：
第一作者：沙琪昊，北京化工大学2022级硕士研究生（导师：孙晓明教授），2018-2022年于北京化工大学获得学士学位（导师：孙晓明教授）。主要研究方向为电解（海）水制氢及工况谱学表征，目前以第一作者（含共一）、通讯作者在Nature, Nature Communications等期刊发表论文6篇，申请国家发明专利8项、国际专利1项，曾获北京市优秀毕业生，北京市优秀本科毕业论文等荣誉。
第一作者：王士元，目前任国家电投集团氢能科技发展有限公司工程师。2017年和2022年于北京化工大学获理学学士和理学博士学位（导师：孙晓明教授）。主要研究领域为高效电解（海）水制氢材料及高性能燃料电池关键材料开发，目前以第一作者（含共一）在Nature、Research等期刊发表论文5篇，申请国家发明专利8项。
通讯作者：周道金，北京化工大学副教授，2019.12月博士毕业于北京化工大学，随后在多伦多大学、美国西北大学开展博士后工作，研究兴趣主要包括无机材料合成及电催化应用。目前以（共同）第一作者及通讯作者在国际知名期刊Nature, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Sci. Bull.等发表文章40余篇，他引超过4000次。以项目负责人的身份主持国家自然科学基金面上项目、青年基金，北京市自然科学基金青年项目等项目7项, 2022年获得中国科协青年人才托举工程第八届 (2022-2024年度) 项目支持。
通讯作者：孙晓明，北京化工大学教授，博士生导师。2000年和2005年于清华大学化学系获理学学士和理学博士学位。2008年在斯坦福大学完成博士后研究回国，进入北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室工作。2011年获国家自然科学基金杰出青年基金资助，2019获年中组部万人计划领军人才。主要从事无机纳米材料化学研究，在电解水、燃料电池和气体超浸润电极器件领域取得进展。目前已在Nature, Nat. Catal., Joule, Chem, Nat. Commun., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等国际能源材料与化学主流刊物以通讯作者发表论文200余篇，引用数三万余次；出版专著一本。申请国际专利13项，获授权3项；获国家发明专利授权80余项，近10项已经完成转化。曾承担国家自然科学基金重大研究计划、国家自然科学基金国际（地区）重点合作项目、国家重点研发项目等多项科研项目。
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