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A Dual-Interlocked Electrocatalyst Design Principle for Durable AEM Water Electrolysis at Industrial Current Densities

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作者
Xiangyao Gu,Yaozhong Guo,Meiping Li,Tongtong Ye,Yi Ning Xu,Changshui Huang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (32): 35156-35168
标识
DOI:10.1021/jacs.6c14322
摘要

Achieving practical anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) requires hydrogen evolution catalysts that remain active and durable at industrially relevant current densities, where vigorous gas evolution accelerates catalytic-site degradation and multiscale interfacial failure. Here, we report a dual-interlocking electrocatalyst interface design method that integrates the current collector, catalyst support, and active sites into a mechanically and electronically coherent architecture to address these issues. A graphdiyne-mediated hierarchical interlock promotes the interpenetrated growth of vacancy-rich distorted NiTe on nickel foam, enabling robust collector-support coupling and low interfacial resistance, while a spatial interlock locally confines ultrasmall Ru clusters within defect-rich NiTe domains through Ru-Ni/Te coordination and defect-mediated confinement, mitigating migration, aggregation, and active-site loss. The catalyst exhibits a low overpotential of 60.5 ± 13.9 mV at -1.0 A cm-2 and operates stably for over 10,000 h and 3500 h at -1.0 and -2.0 A cm-2, respectively, in 1 M KOH. In a practical AEMWE device (80 °C, 4 cm2), the electrolyzer delivers 1.79 V at 3.0 A cm-2, meeting the U.S. DOE 2026 low-temperature electrolysis stack target, and sustains continuous operation for 1,030 h and 4100 h at 1.0 and 2.0 A cm-2, respectively. This work provides a broadly applicable electrode-architecture strategy for stabilizing high-rate gas-liquid-solid electrochemical interfaces through multiscale dual interlocking.
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