他，南航欧洲工程院院士，联手大化所「国家杰青」，新发Angew！

太阳能转化为氢能（STH）的关键之一是开发具有持久活性的催化剂以解决严峻的电压极化和海水腐蚀问题，但在现实条件下仍然是一个挑战。

2024年12月23日，南京航空航天大学常焜教授、中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《A 17.73% Solar-to-hydrogen Efficiency with Durably Active Catalyst in Stable Photovoltaic-electrolysis Seawater System》的研究论文，团队成员Yong Gao为论文第一作者，常焜教授、吴忠帅研究员为论文共同通讯作者。

常焜，南京航空航天大学教授，博士生导师。2012年在浙江大学获化学博士学位，导师：陈卫祥教授。2012-2013年在加拿大西安大略大学材料工程系从事博士后研究，合作导师为加拿大皇家工程院院士孙学良教授。2018年加入南京航空航天大学材料学院工作。2023年12月，当选为欧洲工程院院士。主要从事功能纳米材料的设计制备在化学能源储存和转换领域的研究工作。

吴忠帅，研究员、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家化学会会士。2011年在中国科学院金属研究所获博士学位，2015年6月加入中国科学院大连化学物理研究所任职二维材料化学与能源应用研究组组长。主要致力于二维材料化学与微纳电化学能源应用的基础研究，包括微型储能器件、超级电容器、先进电池等。特别是针对可穿戴和微电子系统储能器件的国家重大需求，其在国际上较早开展了微型电化学能源材料与器件的系统研究。

在这里，作者报道了一种具有高度暴露的Ni-O-Ru单元的NiCr层状双氢氧化物（Ru_ldsNiCr-LDH）的持久活性催化剂，其中低负载量的Ru（0.32 wt%）被Ni和Cr精确地锁定在缺陷晶格位点（Ru_lds）。Cr位点的电子平衡库和嵌入CO₃^2-的Cl^–排斥，确保了Ni-O-Ru单元高度持久的活性。

研究表明，基于阴离子交换膜水电解（AEM-WE）的Ru_ldsNiCr-LDH‖Ru_ldsNiCr-LDH电解槽在电流密度为1000 mA cm^-2下表现出超稳定的海水电解；采用Ru_ldsNiCr-LDH作为阳极和阴极，光伏-电解海水系统实现了17.73%的STH效率，相应的光电制氢（PVTH）效率为72.37%。

此外，作者还阐明了界面水解离-氧化的动力学演化机制，建立了界面水动力学行为与Ru_ldsNiCr-LDH催化水电解动力学、活性之间的关系。本工作是实现绿色氢气经济规模生产的突破性一步。

图1：Ru_ldsNiCr-LDH的表征结果

图2：Ru_ldsNiCr-LDH的结构分析

图3：Ru_ldsNiCr-LDH的电催化性能

图4：光伏电解系统的能级图

图5：Ru_ldsNiCr-LDH催化水电解过程中界面水的动态演化机制

综上，这篇文章为经济可行的绿色氢能生产提供了前瞻性方向，并为界面水解离氧化的动态演化机制提供了创新见解。

光电解系统有效地将可再生能源转化为氢能，集成的持久性LDH基催化剂显示出工业应用的潜力。基于AEM-WE系统的Ru_ldsNiCr-LDH‖Ru_ldsNiCr-LDH电解槽在电流密度为1000 mA cm^-2下实现了稳定的碱性水和海水电解，对应的光电解系统展示了72.94%和72.37%的PVTH效率。

此外，对原子级缺陷工程和动态演化机制的基本理解将有助于合理指导持久活性催化剂的设计。因此，该光电解海水系统在实现经济可行的绿色氢能生产方面具有巨大的工业潜力，能够实现长期运行耐久性。

A 17.73% Solar-to-hydrogen Efficiency with Durably Active Catalyst in Stable Photovoltaic-electrolysis Seawater System, Angewandte Chemie International Edition, 2024.