湖大/南大EES：电流密度高达1 Acm−2！局部K+浓度微环境助力NA-Ru3Ni高效稳定电催化HER

电化学水分解技术能够通过阴极析氢反应(HER)生产高纯度氢(H₂)。随着阴离子交换膜(AEM)的巨大进步，基于AEM的碱性电解池由于其低腐蚀性介质和大电流密度(一般为1-2 Acm⁻²)而受到越来越多的关注。为了在AEM电解池中高效生产H₂，寻找在安培级电流密度下具有低过电位和高稳定性的碱性HER催化剂来满足工业AEM水分解的需求具有重要意义。然而，除了稀缺和昂贵的Pt外，设计并制备安培级电流密度碱性HER的高效电催化剂仍然是一个巨大的挑战。

基于此，湖南大学黄宏文和南京大学胡征等在纳米锥组装的Ru₃Ni(NA-Ru₃Ni)催化剂上构建一个局部K⁺浓缩微环境，以实现安培级电流密度下高效稳定催化水分解产氢。

电化学性能测试结果显示，Ru₃Ni负载量仅为0.08 mg cm⁻²的NA-Ru₃Ni催化剂在1000 mA cm⁻²电流密度下的HER过电位时低至168 mV，在100 mV过电位时的周转频率高达26.1 s^-1。此外，在AEM电解池中，NA-Ru₃Ni催化剂可以在60℃和1000 mA cm⁻²下连续稳定运行2000小时，而在相同条件下的Pt/C||IrO₂仅在40 h内就发生电压增加现象。

有限元模拟和实验结果表明，Ru₃Ni催化剂的纳米尖端能够增强局部电场，从而显著增加界面K⁺浓度。进一步的机理研究表明，局部增加的水合K⁺浓度促进了界面水的H-OH键的极化，导致水解离的能垒降低，从而大大提高了碱性HER活性。综上，本研究不仅为实用的AEM电解池提供了一种高效、稳健的碱性HER催化剂，而且为工业相关的碱性HER催化剂的合理设计提供了指导。

Engineering a Local Potassium Cation Concentrated Microenvironment toward Ampere-Level Current Density Hydrogen Evolution Reaction. Energy & Environmental Science, 2022. DOI: 10.1039/D2EE02836K