The Innovation Materials 铠甲结构镍纳米催化剂：高效稳定碱性海水制氢

　　在能源危机与环境污染的双重挑战下，绿色氢能备受瞩目。然而，纯水稀缺促使科研人员探索以海水为水源的电解制氢途径。开发一种高性能长寿命的电催化剂以攻克海水复杂成分带来的诸多难题，能够有力推动可持续能源发展。

　　随着能源需求的持续攀升，传统化石燃料的弊端日益凸显，清洁、可再生的氢能成为能源转型的关键方向。电催化析氢反应（HER）为高纯度氢气的生产提供了切实可行的路径，但纯净水资源的匮乏限制了其大规模应用。海洋，作为地球上最为丰富的水资源宝库，为绿色氢能开发提供了新契机。然而，海水中高浓度氯离子会引发电极腐蚀、活性位点阻塞等问题，亟待开发新型催化剂以提升反应活性与稳定性。本文聚焦于一种独特的铠甲结构催化剂，巧妙地将镍纳米颗粒封装于掺杂氧的碳壳之中，为碱性海水电解制氢带来了突破性进展。

　　研究团队基于铠甲催化设计理念，创新性地通过原位热解富含水杨酸根的层状镍氢氧化物，成功制备出将镍纳米颗粒包覆在氧掺杂碳中的铠甲结构催化剂（Ni@O-C/CNTs，图2）。该过程不仅实现了镍纳米颗粒的均匀分散，还构筑了丰富的Ni-O-C键，强化了镍核心与碳壳之间的相互作用。这种独特的结构促进了电子从活性镍核向碳壳的转移，显著提升了催化剂对HER中间体的吸附能力。同时，碳纳米管上丰富的氧官能团增强了催化剂的亲水性和疏气性，有效促进了电解质传输和氢气析出过程。

　　如图3所示，在实际碱性海水测试环境中，Ni@O-C/CNTs催化剂表现出卓越的性能。仅需58mV过电位即可达到10 mA cm-2电流密度，并且可在150mA cm-2电流密度下稳定运行2000小时，展现出优异的长效稳定性。即便面临真实海水环境的复杂挑战，其依然能够维持高效产氢，为大规模海水电解制氢提供了坚实的技术支撑。

　　此外，研究团队结合密度泛函理论（DFT）计算深入探究了氧掺杂对催化性能的提升机制（图4）。结果表明，氧掺杂有效促进了镍与碳原子间的电荷转移，降低了镍的d带中心位置，从而加速了碱性HER中的关键步骤——水分子解离。这一发现为设计高性能碳包覆金属结构催化剂提供了重要的理论依据。

　　最后，通过构建膜电极组件（MEA）电解槽，进一步验证了Ni@O-C/CNTs在实际应用中的优势（图5）。实验结果显示，在1 M KOH、1 M KOH+0.5 M NaCl以及1 M KOH+海水等不同电解液体系中，以Ni@O-C/CNTs为阴极、商业IrO2为阳极的电解槽，在0.5 A cm-2的电流密度下展现出了比商用Pt/C ‖ IrO2体系更低的电池电压和更高的能量转换效率。尤其是在真实碱性海水中，该电解槽能够稳定运行超过300小时，展现出优异的耐久性。这表明Ni@O-C/CNTs在实际海水电解制氢系统中具有巨大的应用潜力。

　　Ni@O-C/CNTs铠甲催化剂的成功研发，不仅为碱性海水电解制氢领域注入了新的活力，也为未来设计新型、高效、稳定的能源转换催化剂开辟了新思路。随着持续优化与完善，这种创新的催化剂有望在实际工业生产中大放异彩，推动绿色氢能产业的蓬勃发展，助力全球能源结构的绿色转型。