Harnessing chloride to drive catalyst reconstruction for durable and efficient seawater electrolysis

海水 过电位 电解 催化作用 氯化物 电催化剂 析氧 化学工程 电解水 材料科学 无机化学 氧化物 化学 碱性水电解 耐久性 氢 降水 分解水 金属 惰性 碱金属
作者
Huangcong Tang,Zemin Feng,Di Feng,Shunchun Yao,Kui Shen,Liyu Chen,Yingwei Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41467-026-76145-8
摘要

Direct seawater electrolysis offers an attractive route for sustainable hydrogen production, yet its practical implementation remains constrained by the corrosive nature of chlorion (Cl−). Here, we reveal that trace amounts of Cl−, rather than being detrimental, can play a constructive role in directing the structural evolution of transition-metal catalysts. Guided by this insight, NiS2 nanoparticles with controlled loading amounts on NiFe-MOF nanosheets (denoted as NiFe-MOF-S) are designed to enable fine regulation of Cl− proximity to the active metal sites. This design promotes the in situ reconstruction of catalyst into a dense γ-NiFeOOH phase with short Ni–Fe bond lengths, which triggers a mechanistic shift from the lattice-oxygen-mediated pathway to oxide path mechanism. NiFe-MOF-S achieves high oxygen evolution performance in alkaline seawater (1 M KOH + seawater), requiring a much lower overpotential of 213 mV to reach 500 mA cm−2 in alkaline seawater than that in alkaline water (1 M KOH) (268 mV). Furthermore, the electrocatalyst demonstrates high durability with a degradation rate of only 1.4 μV h−1 for over 7000 hours at 1.0 A cm−2 in alkaline seawater. A kilowatt-level alkaline seawater electrolyzer equipped with NiFe-MOF-S/NF operates reliably for over 1500 hours at industrially relevant conditions. Seawater electrolysis for hydrogen production faces a major challenge from chloride corrosion. Here, the authors show that trace chloride can trigger catalyst reconstruction into a dense metal oxyhydroxides, enabling stable electrolysis at ampere-level current densities for over 7000 hours.
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