高效光伏 - 碱性水电解系统：突破太阳能制氢效率瓶颈，开启绿色能源新时代

为提升光伏 - 碱性水电解（PV-AW）系统太阳能制氢（STH）效率，研究人员制备复合催化剂，集成系统效率达 29.1%，为绿色制氢提供新途径。

　　氢气（）作为一种极具潜力的能源载体，能将可再生电能以化学能的形式储存起来，有效解决可再生能源的间歇性问题，还能在全球市场作为清洁能源商品进行交易，助力实现碳中和目标。在众多制氢技术中，光伏驱动的水电解（PV-WE）技术因 PV 和 WE 组件可大规模商业化生产，成为目前最成熟的绿色制氢方法。然而，PV-WE 过程中，整体的太阳能制氢（STH）转换效率却被缓慢的水电解（WE）动力学严重制约。这不仅导致制氢能耗巨大，成本居高不下，还使得氢气的大规模生产难以实现，限制了其在能源领域的广泛应用。

在此背景下，研究人员致力于寻找提高 PV-WE 系统效率的方法。本次研究由不知名研究机构的人员开展，他们成功设计并开发出一种高效的 PV-AW 系统，这一成果为绿色制氢带来了新的希望。该研究成果在提升绿色制氢效率方面具有重要意义，有望推动氢能产业朝着更加经济、可持续的方向发展。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过可控的水热过程在泡沫镍（NF）等基底表面制备出-NiO_xH_y复合催化剂。在结构表征方面，利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种手段对催化剂的微观结构和化学状态进行分析。在性能测试方面，采用电化学工作站在碱性溶液中对电极的析氧反应（OER）性能等进行测试，并通过原位拉曼光谱等技术对反应过程进行深入研究，同时运用密度泛函理论（DFT）计算对反应机理进行理论分析。

下面来详细介绍该研究的主要结果：

• 合成与表征：-NiO_xH_y复合催化剂通过在弱碱性环境下的可控水热过程制备于 NF 基底表面。SEM 和 TEM 分析显示，催化剂形成了高度褶皱且相互连接的纳米片结构，由装饰着众多 5 - 10nm 超细纳米颗粒（NPs）的薄纳米片组成。XPS 和 X 射线吸收光谱（XAS）表征表明，与 NiO_xH_y之间存在电子相互作用，形成了富电子的相且含有氧缺陷。
• 电催化 OER 性能：在 1M KOH 溶液中测试电极的电化学 OER 性能，-NiO_xH_y/NF 电极展现出最早的起始电位和较低的过电位，在未进行校正的情况下，达到 100的电流密度仅需 290mV 过电位。以铂化钛纤维（PTF）为基底的测试进一步验证了-NiO_xH_y复合催化剂的高活性，其周转频率（TOFs）高达 0.86每 Fe 原子，远高于其他对比样品。
• 光谱分析与机理研究：通过软 X 射线吸收光谱（sXAS）和原位拉曼光谱对催化剂进行研究。sXAS 结果表明，与 NiO_xH_y之间存在电子相互作用且在 OER 过程中氧含量发生变化。原位拉曼光谱结合同位素标记实验显示，晶格氧可能参与 OER 过程，且该催化剂可能遵循双功能机制，即 NiO_xH_y和物种协同作用加速 OER 动力学。DFT 计算进一步证实了这种协同作用，Fe 边缘位点和 Ni 位点协同形成 OER 中间体能降低过电位。
• 规模化制备-NiO_xH_y/FeF 电极：为解决实验室活性电极难以规模化的问题，研究人员在泡沫铁（FeF）骨架上电沉积大量 NiO_xH_y，制备出-NiO_xH_y/FeF 电极。该电极在 1M KOH 溶液中表现出比其他对比电极更高的 OER 活性，且增大表面积时 OER 活性无明显衰减，在大电流密度（100）下具有良好的稳定性。
• 碱性 WE 性能和 STH 转换：以-NiO_xH_y/FeF 为阳极，/NF 为阴极组装零间隙碱性水电解（AWE）电池。该电池在 6M KOH 溶液中表现出优异的 WE 活性，1.8V 时电流密度可达 280 ，75°C 时 1.8V 下电流密度可达 1，且具有良好的稳定性。将该 AWE 电池与高性能聚光光伏（CPV）接收器集成，在自然阳光照射下，集成的 CPV - AWE 系统在大电流密度下实现了创纪录的 STH 效率，最高可达 29.1%（扣除引线电阻损耗后为 30.3%），超越了此前报道的所有 PV-WE 系统。

研究结论和讨论部分指出，通过开发由负载在 NiO_xH_y基底上的超细 NPs 组成的高效 OER 电催化剂，制备出高性能 AWE 电池，显著提升了 PV-WE 活性，进而提高了 STH 效率。光谱研究和计算结果表明，-NiO_xH_y催化剂的高 OER 性能源于丰富的界面以及边缘 Fe 原子和表面 Ni 位点的协同双功能机制。在 FeF 基底上构建这种高活性 OER 催化剂可制备出可规模化的高效 WE 阳极，与高效 CPV 模块集成后，在大电流下实现了约 30% 的 STH 效率，超越了所有已报道的实际电流下的太阳能制氢系统。该研究为实现经济高效的绿色制氢提供了可行途径，证明了开发高速率 AWE 技术对促进 PV-WE 过程的实际有效性，为未来绿色能源领域的发展奠定了重要基础，有望推动氢能产业迈向新的高度。