【儀表網 研發快訊】利用可再生能源(如風電、光伏)電解水生產綠氫，是促進綠電消納和工業脫碳、實現碳中和目標的重要途徑。其中，技術成熟、成本較低的堿性水電解是當前綠氫生產的主流技術，但其耦合波動性可再生能源時，頻繁啟停會引發嚴重的“反向電流”現象，導致陰極氧化、陽極還原，引發電極腐蝕、界面剝離，嚴重影響電解效率與設備壽命。這一動態穩定性難題，成為制約堿性電解槽與可再生能源大規模、高效耦合的關鍵瓶頸。
近日，清華大學化工系張強、唐城團隊在波動性新能源制氫關鍵材料領域取得重要突破。團隊創新性提出“梯度異質界面工程”策略，成功開發出具有優異抗反向電流特性與工業級電解性能的新型電極材料。該成果為破解可再生能源間歇性電解的關鍵瓶頸提供了全新的材料解決方案，有望推動綠氫產業的高質量發展。
圖1.(a)堿性電解槽停機后“反向電流”產生機制；(b)停機期間催化層脫落和電極腐蝕示意圖；(c)“梯度異質界面工程”策略和電極穩定性提高示意圖
區別于傳統的材料組成與電子結構優化，研究團隊轉向對界面晶體學結構的精密調控。通過熱注入工藝在商業鎳網基底上原位生長出具有Ni/Ni3S2梯度異質界面過渡層的Ni3S2催化層。該結構通過“無縫界面”有效緩解了異質材料間的晶格失配和應力，促進了電荷再分配，從根本上增強了界面在劇烈電位反轉和高電流密度下的機械與電化學穩定性。在80°C、30 wt% KOH的工業測試條件下，該電極不僅達到美國能源部2026年堿性電解的活性目標(1000 mA cm−2@1.79 V)，更實現了3600次啟停循環的嚴苛工況下性能零衰減，展現出工業應用的巨大潛力。
圖2.(a，b)電極“基底-過渡層-催化層”界面的表征；(c)模擬反向電流的加速老化實驗；電極作為(d)陰極和(e)陽極進行4000圈加速老化測試后的電極界面表征；(f)電極在工業條件下的性能；(g)電極在工業條件下的啟停穩定性測試
研究成果以“適用于1000 mA cm−2堿性電解槽的抗反向電流異質界面電極”(Heterointerface-Enabled Anti-Reverse-Current Electrodes for Alkaline Water Electrolyzers at 1000 mA cm−2)為題，于12月11日在線發表于《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society, JACS)。
清華大學化工系教授張強、副研究員唐城為論文共同通訊作者，清華大學化工系博士后何文君、北京工業大學材料科學與工程學院博士后王越帥、哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院2023級碩士生趙逸龍為論文共同第一作者。研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、華能集團科技研究項目和清華大學自主科研計劃的支持。
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