通讯作者：卢旭
第一作者：Abdul Malek
通讯单位：阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）
论文链接：10.1002/anie.202520825
背景
水电解是一种碳中和的制氢方式，但其实际应用迄今主要依赖电网供电，而电力造成较高的碳足迹。将电解槽直接与本地的可再生能源（如太阳能或风能）耦合的方式更加有利于可持续发展，但可再生能源的波动性是一大挑战。这种电力供应的波动变化会加速催化剂退化，尤其是在千瓦级系统中更为明显。设计能够在间歇性工况下保持稳定运行的催化剂和装置一直是有待解决难题。
研究亮点
沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）卢旭教授团队，与上海电气、沙特阿美石油公司联合，在《德国应用化学》报道了一项突破性的研究：提出了一种瞬态助剂（transient-promoter）策略，促进镍铁（NiFe）氧氢氧化物催化剂的形成与稳定，从而实现千瓦级阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）在波动电力输入下的可靠运行。在实验室规模下，体系在 80 °C 下仅需 1.68 V即可实现 1 A cm⁻2 的电流密度，并在恒定和波动负载下连续稳定运行超过 30 天。团队将1 cm2的单池放大到8个池子串联、总面积为 512 cm2 的 2.5 kW 电堆后，实现了在十三个模拟太阳能循环（>50 h）中依然能够稳定产氢的较高稳定性。具体而言，该千瓦级电堆在 60 °C 下实现 1 A cm⁻2、单池电压 1.78 V的性能，与实验室规模结果高度吻合。
除了规模放大，这项研究还系统揭示了瞬态助剂机制。光谱学证据显示，铬能够：
- 改变 Ni/Fe 的氧化态，从而促进氧氢氧化物的形成；
- 诱导孔隙结构，增强 OH⁻ 的传输和电解液渗透；
- 作为一种牺牲性助剂，以可控的方式溶出，从而在循环过程中保护 NiFe 基体。
影响
这项工作证明可持续、非贵金属催化剂能够在千瓦级 AEMWE 堆中同时实现高本征活性和长期稳定性，并可直接由间歇性可再生能源驱动。通过结合机理洞察、合理的催化剂设计和在 2.5 kW 工业相关堆中的验证，该研究在基础科学和实际技术上实现了双重突破。
图 1 | 分布式千瓦级绿色制氢。
图 2 | Ni3Fe1.2Cr0.8Ox纳米颗粒的结构与成分表征。
图 3 | Ni3Fe1.2Cr0.8Ox 在 OER 过程中的表面变化与 Cr 浸出机制。
图 4 | Ni3Fe1.2Cr0.8Ox 在 OER 过程中的原位 ATR-SEIRAS 分析。
图 5 | 基于 Ni3Fe1.2Cr0.8Ox 的实验室规模 AEMWE 的性能与运行稳定性。
图 6 | 基于 Ni3Fe1.2Cr0.8Ox 的 AEMWE 堆的千瓦级性能与动态运行稳定性。
团队介绍
卢旭博士分别于2012、2013、2017年于香港大学机械工程系取得本科、硕士、博士学位，2017至2020年于美国耶鲁大学化学系进行博士后研究，2021年3月于沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）独立建组，专注高压电催化。团队成立迄今，原创科研成果已发表在Nature Catalysis、Nature Communications、JACS、ACS Catalysis、Angewandte Chemie、Chemical Engineering Journal等国际顶级期刊，并由沙特阿美、ACWA Power、NEOM-ENOWA等公司资助进行工业级电解槽研发。
