中科院宁波材料所陈亮/林贻超：超2000小时稳定！钌单原子稳定NiFeOOH实现高盐水电解

Unlocking Superior Stability in High-salinity Water Electrolysis: A Ru-Stabilized NiFeOOH/Ni Anode with over 2000 h Durability

Jin He, Haoyun Sheng, Yichao Lin*, Bingqi Gong, Yayun Zhao*, Ziqi Tian and Liang Chen*

Nano-Micro Letters (2026)18: 223

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02072-4

本文亮点

1. 双重稳定，一石二鸟：提出了一种Ru同步稳定NiFeOOH催化剂层与Ni基底的双重保护策略。Ru的引入促进了基底表面富Ru保护层的形成，同时诱导生成致密的NiFeOOH催化剂层，有效阻挡Cl⁻渗透。

2. 原子级分散，抗蚀增强：原子级分散的Ru单原子(RuSA)嵌入NiFeOOH基体，通过静电排斥与局部Cl⁻富集效应，保护相邻Ni/Fe活性位点免受Cl⁻侵蚀。

3. 超长稳定，工业级表现：所制备的RuSA-NiFeOOH/Ni电极在含2 M NaCl的强碱性电解液中，于0.5 A cm⁻²电流密度下稳定运行超2000小时，创下高盐水电解析氧阳极稳定性新纪录。

研究背景

高盐水电解析氢是未来绿氢生产的重要方向之一，因其可利用丰富的海水或盐湖水资源，缓解淡水资源紧张问题。然而，Cl⁻的存在对阳极稳定性构成严峻挑战。一方面，Cl⁻易穿透催化剂层侵蚀基底；另一方面，活性位点易受Cl⁻攻击而失活。当前研究多集中于开发耐Cl⁻腐蚀的催化剂材料，如硫化物、氮化物、磷化物等。然而，这些催化剂在析氧反应中普遍发生重构，最终转化为(羟基)氧化物，因此其耐蚀机制难以归因于原始结构。此外，传统观点往往将阳极失效归因于催化剂活性位点的Cl⁻腐蚀，而最新研究表明，NiFe-LDH/Ni电极的不稳定性主要源于Cl⁻通过催化剂层裂纹渗透至基底，导致基底腐蚀而非催化剂本身失效。因此，如何同步实现催化剂层致密化与基底保护，是提升高盐水电解析氧阳极稳定性的关键瓶颈。

内容简介

针对高盐水电解析氧中阳极稳定性差、Cl⁻侵蚀基底与活性位点双重难题，中国科学院宁波材料所陈亮团队提出了一种基于Ru离子的双重稳定策略。他们通过在Ni泡沫基底上浸渍Fe³⁺与Ru³⁺，原位构建了Ru单原子修饰的NiFeOOH纳米片阵列(RuSA-NiFeOOH/Ni)。该结构实现了双重保护：在基底界面，Ru富集形成致密保护层，阻止Cl⁻渗透；在催化剂层，原子级分散的Ru通过静电排斥效应保护Ni/Fe活性位点。该策略无需复杂合成，仅通过一步浸渍法即可实现催化剂层致密化与基底界面保护，显著提升阳极在高盐高电流条件下的稳定性，为高盐水电解析氧阳极设计提供了新思路。

图文导读

I 界面“双保险”：Ru的双重稳定机制

如图1所示，Ru在NiFeOOH/Ni电极中扮演了“双保险”角色。在Ni基底界面，Ru富集形成致密保护层，有效阻挡Cl⁻渗透。在RuSA-NiFeOOH/Ni催化剂层中，原子级分散的Ru单原子通过静电排斥与局部Cl⁻富集效应，保护相邻Ni/Fe活性位点。二者协同作用，实现了对Cl⁻侵蚀的双重抑制。截面能谱显示Ru富集于基底界面。同步辐射XAS与球差校正电镜证实催化剂层的Ru以单原子形式存在。XPS进一步表明Ru调控了Ni/Fe的电子结构，协同实现对Cl⁻侵蚀的双重抑制。

图1. Ru的原子级分散与界面富集。

II 电化学性能：低过电位与优异抗蚀性

RuSA-NiFeOOH/Ni在含氯碱性电解液中展现出优异的析氧活性与抗腐蚀性能(图2)。其在100 mA cm⁻²下的过电位低至220 mV，显著优于NiFeOOH/Ni(266 mV)和NiFe-LDH/Ni(289 mV)。这一结果表明，Ru单原子的引入不仅没有牺牲催化活性，反而通过电子结构调控适度提升了Ni/Fe位点的本征活性。Tafel斜率分析进一步证实其优异的反应动力学，RuSA-NiFeOOH/Ni的Tafel斜率仅为37.12 mV dec⁻¹，远低于对照样品，说明其具有更快的电荷转移动力学。与已报道的先进析氧催化剂相比，本工作制备的RuSA-NiFeOOH/Ni在过电位和Tafel斜率两方面均展现出明显优势，彰显了Ru单原子修饰策略的有效性。

在抗腐蚀性能评估方面，开路电位后的Tafel曲线显示RuSA-NiFeOOH/Ni的腐蚀电位正移至+48 mV vs. Hg/HgO，远高于NiFeOOH/Ni(-155 mV)和NiFe-LDH/Ni(-258 mV)，表明其热力学上更耐腐蚀。循环极化曲线显示其具有最高的击穿电位和点蚀电位，且滞后回线面积最小，证实Ru的引入有效抑制了Cl⁻引发的局部腐蚀。尤为重要的是，在2 M NaCl高盐环境中，该电极于500 mA cm⁻²工业级电流密度下稳定运行超2000小时，电压无明显上升，而对照样品NiFe-LDH/Ni和NiFeOOH/Ni阳极在相同条件下分别仅能稳定运行13.6小时和1.2小时便迅速失效。2000小时稳定性测试后的电解液ICP分析显示，仅检测到痕量Ni元素，证实电极材料几乎无金属溶出，结构完整性保持良好。这种在极高盐浓度和工业级电流密度下的超长稳定性充分证明了Ru双重稳定策略的有效性和实用性。

图2. 碱性含盐电解液中的析氧性能与抗腐蚀评估。

III 机理研究：Ru促进Ni重构与原子级稳定以及Cl⁻排斥机制

原位电化学阻抗与拉曼光谱揭示了Ru在析氧反应中的关键作用(图3)。Bode图显示RuSA-NiFeOOH的相转变电位较未掺杂体系降低25 mV，更低的相转变电位意味着Ru的引入降低了Ni²⁺向活性Ni³⁺氧化的能垒，促进了高活性态的早期重构。原位拉曼进一步证实，在1.475 V vs. RHE下即观察到Ni³⁺-O特征峰，而对照样品在更高电位下仍无明显变化，证明Ru加速了活性NiOOH/FeOOH相的形成。XAS分析表明，经2000小时稳定性测试后，Ru在OER过程中发生了轻微氧化，但仍保持原子级分散状态，无团聚或相分离，证实了Ru位点的结构稳定性，为持续发挥保护作用提供了保障。

图3. RuSA-NiFeOOH的动态析氧过程与结构演化。

密度泛函理论计算从原子尺度揭示了Ru保护相邻Ni位点的内在机制(图4)。研究发现，Ru位点对Cl⁻具有更强的亲和力，其上的羟基配体可自发与邻近Ni位点吸附的Cl⁻发生交换，能量变化为-0.62 eV，表明Ru通过“捕获”Cl⁻的方式保护Ni活性中心。自由能图谱显示，OER主要发生在Ni位点，Ru的引入将决速步能垒从2.20 eV降至2.14 eV，适度提升了本征活性。Ru位点本身因较高的反应能垒(2.84 eV)不直接参与催化，而是作为“保护位点”优先结合Cl⁻，为相邻Ni活性中心构筑原子尺度的防护屏障。这种“催化-保护”位点分离的设计理念，既保证了催化剂的高本征活性，又赋予了其卓越的抗Cl⁻腐蚀能力。

图4. Ru单原子保护Ni位点的理论机制。

IV 实际应用：AEM电解槽中稳定运行超500小时

在AEM电解槽的性能评估中，RuSA-NiFeOOH/Ni阳极的引入带来了性能的显著提升。在6 M KOH + 饱和NaCl的极端盐浓度下，电解槽于500 mA cm⁻²电流密度展现出优异的长期稳定性，稳定运行超500小时后电压保持良好，衰减率仅0.18 mV h⁻¹。在真实海水(取自宁波北仑海域)环境中，电解槽于400 mA cm⁻²下同样稳定循环超500小时，电压无明显上升，证明其在复杂杂质离子环境中仍能保持优异的催化活性与结构完整性。此外，该电极可通过相同浸渍方法放大至35 × 35 cm2的大尺寸，宏观形貌均匀一致，展现出良好的可扩展性与工业应用前景。这些结果证明，Ru双重稳定策略能有效克服高盐环境下更突出的阳极腐蚀问题，在工业级电流密度下实现超长循环寿命，为发展高能量密度的实用化海水电解制氢技术提供了可靠保障。

图5. AEM电解槽中的实际应用。

V 总结

本研究提出了一种基于Ru³⁺的双重稳定策略，在高盐水电解析氧中实现了催化剂层致密化与基底界面保护的协同作用。

在阳极基底，Ru的引入在泡沫Ni表面形成富Ru保护层，这一致密界面层有效阻挡Cl⁻向基底的渗透侵蚀，从根本上抑制了基底腐蚀导致的电极失效。

在催化剂层，原子级分散的Ru单原子(RuSA)嵌入NiFeOOH基体，通过静电排斥与局部Cl⁻富集效应，保护相邻Ni/Fe活性位点免受Cl⁻攻击，同时，Ru的引入调控了Ni/Fe的电子结构，在OER过程中促进了Ni²⁺向活性Ni³⁺的电化学重构，适度提升了活性位点的本征催化活性。

得益于这一双重稳定机制，所制备的RuSA-NiFeOOH/Ni在含2 M NaCl的强碱性电解液中，于0.5 A cm⁻²下稳定运行超2000小时，创下该类材料在高盐环境下的稳定性新纪录。该策略简洁高效，具备良好可扩展性，为高盐水电解析氧阳极的设计提供了新思路，也可推广至其他卤素腐蚀环境下的电催化体系。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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