海水电解是可持续制氢的理想路径，但氯离子诱导的严重腐蚀和寄生氯氧化反应阻碍了其实际应用。深圳大学刘东和哈尔滨工业大学王振波等报道了一种贵金属掺杂的NiV LDHs催化剂，整合了电子调控与双氯限域机制：Ir掺杂同时构建了强Ir-Cl配位作用和动态再生的VO₄³⁻层，形成适应性静电屏障，有效抑制氯离子渗透，使Ir-NiV LDH的析氧反应选择性接近100%，500 mA cm⁻²电流密度下稳定性超2750小时；Ru掺杂优化了析氢反应路径，实现195 mV的低过电位和超过2350小时的耐久性。将两种催化剂配对构建双电极电解槽(Ru-NiV LDH||Ir-NiV LDH)，在碱性海水中展现出工业级性能和卓越稳定性。该双氯限域概念为腐蚀性离子环境中的催化剂设计提供了通用框架，可拓展至海水分解以外的其他电化学能量转换过程。

I催化剂设计与结构表征

如图1所示，通过一步水热法在泡沫镍基底上成功制备了贵金属掺杂的Ni VLDH催化剂(如Ir-NiV LDH、Ru-NiV LDH)。表征结果表明，所合成的材料具有纳米片状结构，贵金属以原子级分散形式均匀分布于LDH骨架中。透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)显示，Ir-NiV LDH样品中清晰可见晶面间距为0.232 nm的晶格条纹，对应于LDH的(015)晶面。X射线光电子能谱(XPS)分析表明，Ir掺杂导致Ni 2p结合能发生负移，表明其有效优化了材料的电子结构。

图1. 催化剂合成过程与物理结构表征。

II 优异电化学性能和长时间稳定性

图2系统地展示了所制备催化剂的电解水性能。电化学测试表明，Ru-NiV LDH和Ir-NiV LDH分别表现出优异的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)性能。具体而言，在HER方面，Ru-NiV LDH在500 mA cm⁻²的高电流密度下过电位仅195 mV，显著优于商业Pt/C(316 mV)，其塔菲尔斜率低至41.8 mV dec⁻¹，动力学优势明显。在OER方面，Ir-NiV LDH在10 mA cm⁻²下的过电位为202 mV，远低于商业RuO₂(286 mV)，即使在500 mA cm⁻²的工业级电流密度下，其过电位也仅为357 mV。此外，Ru-NiV LDH在2350小时的HER稳定性测试中衰减速率极低(0.072 mV h⁻¹)，展现出卓越的长期稳定性。这些结果凸显了所开发催化剂在实际应用中，特别是在工业水分解和海水电解领域的巨大潜力。

图2. 优异的电化学HER和OER性能以及长期稳定性。

III 催化剂的机理

图3通过多种表征与计算深入揭示了催化机理。原位拉曼光谱显示，Ir掺杂促使NiOOH活性相在更低电位下发生重构，加速了Ni²⁺向Ni³⁺的转化。电化学阻抗谱进一步证实，Ir-NiV LDH在OER过程中界面电荷转移更快，动力学优势明显。理论计算表明，Ir掺杂优化了Ni位点的电子结构，降低了OER决速步(*OH → *O)的能垒；而Ru掺杂则使d带中心上移，优化了氢中间体的吸附自由能，从而显著提升HER活性。综上，Ir掺杂通过促进重构与优化电子结构提升OER性能，Ru掺杂则通过调控氢吸附行为增强HER活性，两者在海水电解中均展现出优异的应用潜力。

图3. 贵金属掺杂NiV LDH优化OER/HER反应路径与电子结构。

IV 双氯限域机理

图4通过多种表征与理论计算，揭示了Ir-NiV LDH在海水电解中优异的抗氯腐蚀机理。实验与理论表明，在阳极电位下，催化剂中原位形成的VO₄³⁻层与Ir-Cl吸附层通过静电排斥协同作用，有效阻挡Cl-侵蚀。拉曼光谱和XPS证实了V物种转向VO₄³⁻的动态重构及高价态V5+保护层的形成；DFT计算显示Ir位点对Cl-具有更强的吸附能力(-1.51 eV)，优先形成Ir-Cl保护层。紫外可见光谱、腐蚀电流测试及极化曲线进一步证实，Ir-NiV LDH有效抑制了活性氯物种的生成和氯氧化反应，表现出更高的腐蚀电位与更低的腐蚀电流密度。同时，其析氧反应法拉第效率接近100%，选择性优异。这些结果协同验证了“双氯化学限制层”设计在提升催化剂稳定性与选择性方面的有效性，凸显了Ir-NiV LDH在工业海水电解中的巨大应用潜力。

图4.  Ir-NiVLDH的双氯限域机理策略。

V AEM电解槽

图5评估了Ru-NiV LDH||Ir-NiV LDH电极在阴离子交换膜电解槽与实际海水电解中的整体性能。该两电极体系在模拟工业条件(6 mol/L KOH海水，80 ℃)下仅需1.79 V即可达到500 mA cm⁻²的电流密度；在商业电解槽(电极面积4 cm²)中，于500 mA cm⁻²下可稳定运行超过300小时，性能远超NF||NF及Pt/C||RuO₂参比体系，且电位衰减可忽略不计。结果表明，该催化体系兼具卓越的活性、优异的长时稳定性及显著的经济优势，在工业级海水电解应用中展现出巨大的商业化潜力。

图5. AEM的电解槽性能。

刘东

本文通讯作者

深圳大学 助理教授

▍主要研究领域

电解水催化剂（海水/碱性/PEM/AEM）与电解水隔膜材料。

▍主要研究成果

深圳大学助理教授、特聘副研究员，，2021年获澳门大学博士学位，同年加入深圳大学工作至今。主要研究方向为电解水催化材料及隔膜。目前已发表SCI论文60余篇，其中以第一作者/通讯作者身份在 Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.、Coordin. Chem. Rev. 等国际知名期刊发表论文30余篇，包括封面论文4篇、高被引论文4篇、热点论文2篇。主持和参与各类科研项目10余项，申请中国发明专利14件。曾获澳门特区科技研发奖、广东省优秀创业导师称号，指导项目获中国国际大学生创新大赛（2025）省赛金奖及国赛银奖。任 Nano-Micro Letters 和 eScience 期刊青年编委，以及 Frontiers in Materials、Coatings、Processes 期刊专刊客座主编。

▍Email：dongliu@szu.edu.cn

王振波

本文通讯作者

哈尔滨工业大学 教授

▍主要研究领域

先进化学电源、氢燃料电池、电催化、纳米电极材料。

▍主要研究成果

哈尔滨工业大学二级长聘教授，博士生导师。入选国家级高层次人才、科技部中青年科技创新领军人才；黑龙江省“龙江学者”特聘教授；获2022年侯德榜化工科学技术奖创新奖；入选2025年科睿唯安“全球高被引科学家”；连续12年(2014-2025)入选Elsevier中国高被引科学家。深圳市高层次人才团队负责人。研究方向为先进化学电源、氢燃料电池、电催化、纳米电极材料；主持国家自然科学基金重点基金1项，面上项目3项，青年基金1项；科技部重点研发项目1项、课题1项；山东省重点研发项目1项，其他省部委项目10项，其他及企业课题40多项。在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等上发表SCI论文350多篇，H因子75。近5年发表IF>10的论文81篇。入选ESI十年高被引论文26篇，ESI热点论文8篇。获国家授权发明专利68项，转化43项；获国防科技进步一等奖1项，黑龙江省自然科学一等奖2项，浙江省科技成果转化二等奖1项，哈尔滨工业大学教学成果一等奖1项。

▍Email：wangzhb@hit.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部