北工大/清华深研院Nat. Commun.: CoFeAl LDH排斥Cl−，在工业级电流下高效稳定氧化卤水

海水电解是一种可持续的制氢方法，同时还能够保护淡水资源。但是，海水中Cl⁻的存在会引起阳极产生有害的Cl₂或ClO⁻，同时电解质中积累的Cl⁻离子总是会导致OER性能衰减和阳极腐蚀，特别是在连续的大电流电解过程中。目前大多数耐腐蚀催化剂的报告依赖于模拟盐水(只有NaCl)作为电解质，这可能不能准确地反映真实的工作条件。在天然海水中，包括Br⁻在内的复杂组分的存在会与Cl⁻共同加剧电极腐蚀。此外，目前报道的阳极仍然缺乏在安培电流密度和饱和盐度水平的稳定性评价，这些问题是海水电解工业化的重大障碍。

基于此，北京化工大学孙晓明、周道金和清华大学深圳国际研究生院邝允等通过简单的一步水热法在泡沫镍上生长CoFeAl层状双氢氧化物(CoFeAl-LDH)阳极材料，实现了高稳定性盐水电解。实验结果表明，该CoFeAl-LDH电极排斥Cl⁻但允许OH⁻接近。OH⁻在水溶液中的迁移速率通常比Cl⁻高，水电解质中的OH⁻传递依赖于相邻水分子之间形成的氢键网络，通常称为Grotthuss转移机制，这种机制保证了OH⁻能够有效地传递到Al(OH)_n⁻周围。

因此，OH⁻的吸附选择性增强电极表面的Al(OH)_n⁻覆盖。带负电荷的Al(OH)_n⁻物种富集OH⁻，对Cl⁻产生强的排斥库仑力，这在防止Cl⁻吸附和避免电极腐蚀的同时，提高了OER的选择性。

因此，以盐水为电解质，基于CoFeAl-LDH的膜电极组件(MEA)电解槽只需要2.06 V就可以达到1.0 A cm⁻²的电流密度，并且相应的能耗仅为4.93 kWh m⁻³ H₂。此外，该电解槽在1.0 A cm⁻²下持续工作超过500小时仅有1.69%的电压衰减，这一结果标志着CoFeAl-LDH电极可以应用在实际盐水电解中，即使在极高的电流密度下也能保持稳定性。

跟重要的是，这些材料易于大规模生产，不需要复杂的加工处理，从而有利于工业装配和操作。总的来说，这种对OH⁻吸附机理的选择性增强有助于进一步优化电极以防止Cl⁻离子在连续盐水电解过程中引起的腐蚀。

Self-protecting CoFeAl-layered double hydroxides enable stable and efficient brine oxidation at 2 A cm⁻². Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49195-z

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