文章导读
风电光伏制氢的"致命软肋"终于被攻克！清华大学张强、唐城团队独创"梯度异质界面工程"，研发出革命性电极材料。这种无缝衔接的精密结构，不仅彻底解决了反向电流导致的电极腐蚀难题，更在工业级测试中创下双重突破：超越美国能源部2026年目标（1000mA/cm²@1.79V），实现3600次启停循环性能零衰减！这项发表于《美国化学会志》的成果，为波动性可再生能源制氢提供了关键材料支撑，将加速绿氢产业规模化进程。
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利用可再生能源（如风电、光伏）电解水生产绿氢，是促进绿电消纳和工业脱碳、实现碳中和目标的重要途径。其中，技术成熟、成本较低的碱性水电解是当前绿氢生产的主流技术，但其耦合波动性可再生能源时，频繁启停会引发严重的“反向电流”现象，导致阴极氧化、阳极还原，引发电极腐蚀、界面剥离，严重影响电解效率与设备寿命。这一动态稳定性难题，成为制约碱性电解槽与可再生能源大规模、高效耦合的关键瓶颈。
近日，清华大学化工系张强、唐城团队在波动性新能源制氢关键材料领域取得重要突破。团队创新性提出“梯度异质界面工程”策略，成功开发出具有优异抗反向电流特性与工业级电解性能的新型电极材料。该成果为破解可再生能源间歇性电解的关键瓶颈提供了全新的材料解决方案，有望推动绿氢产业的高质量发展。
图1.（a）碱性电解槽停机后“反向电流”产生机制；（b）停机期间催化层脱落和电极腐蚀示意图；（c）“梯度异质界面工程”策略和电极稳定性提高示意图
区别于传统的材料组成与电子结构优化，研究团队转向对界面晶体学结构的精密调控。通过热注入工艺在商业镍网基底上原位生长出具有Ni/Ni3S2梯度异质界面过渡层的Ni3S2催化层。该结构通过“无缝界面”有效缓解了异质材料间的晶格失配和应力，促进了电荷再分配，从根本上增强了界面在剧烈电位反转和高电流密度下的机械与电化学稳定性。在80°C、30 wt% KOH的工业测试条件下，该电极不仅达到美国能源部2026年碱性电解的活性目标（1000 mA cm−2@1.79 V），更实现了3600次启停循环的严苛工况下性能零衰减，展现出工业应用的巨大潜力。
图2.（a，b）电极“基底-过渡层-催化层”界面的表征；（c）模拟反向电流的加速老化实验；电极作为（d）阴极和（e）阳极进行4000圈加速老化测试后的电极界面表征；（f）电极在工业条件下的性能；（g）电极在工业条件下的启停稳定性测试
研究成果以“适用于1000 mA cm−2碱性电解槽的抗反向电流异质界面电极”（Heterointerface-Enabled Anti-Reverse-Current Electrodes for Alkaline Water Electrolyzers at 1000 mA cm−2）为题，于12月11日在线发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS）。
清华大学化工系教授张强、副研究员唐城为论文共同通讯作者，清华大学化工系博士后何文君、北京工业大学材料科学与工程学院博士后王越帅、哈尔滨理工大学电气与电子工程学院2023级硕士生赵逸龙为论文共同第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、华能集团科技研究项目和清华大学自主科研计划的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/jacs.5c17603
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：郭玲
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