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 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]
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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