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Laser-Induced NiFeOx Nanolayer Enables Durable and Efficient Seawater Electrolysis at Industrial Current Densities

材料科学 海水 电流(流体) 电解 电流密度 激光器 纳米技术 光学 海洋学 物理 化学 电解质 电极 物理化学 热力学 量子力学 地质学
作者
Ziyang Duan,Yang Liu,Benzhi Wang,Zhihao Zhang,Quan Yuan,Yongjian Fang,Yali Zhang,Hyung Mo Jeong,Yinggan Zhang,Jonghwan Suhr
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (41): 36728-36738
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c12679
摘要

Seawater electrolysis is an emerging pathway for sustainable hydrogen production, yet long-term operation under industrial current densities is severely constrained by chloride-induced corrosion and catalyst degradation. Here, we introduce a laser-induced interface engineering strategy that leverages the rapid thermal dynamics of laser powder bed fusion (LPBF) to construct a ∼5 nm nonstoichiometric NiFeOx nanolayer epitaxially grown to a NiFe alloy substrate. This in situ fabricated nanolayer functions as a multifunctional interface, selectively adsorbing OH- ions through stable metal-oxygen (M-O) bonding, thereby suppressing Cl--driven surface degradation while simultaneously accelerating the oxygen evolution reaction (OER) kinetics by lowering the Gibbs free energy barrier of the OER intermediates (*OH) from 0.61 to 0.48 eV. As a result, the NiFe with oxide layer (NiFe-OL) electrode achieves an overpotential of 238 mV at 10 mA cm-2 in simulated seawater, showing a marked 84 mV reduction compared to the bare NiFe alloy electrode, and maintains stable operation for over 1000 h at 1 A cm-2 in alkaline seawater. This represents more than 25 times longer operational stability than the bare NiFe electrode, which fails after only ∼20 h under identical conditions. In particular, the laser-formed functionally integrated oxide nanointerface delivers a distinctive combination of corrosion resistance and electrochemical kinetics. Our findings demonstrate a robust seawater electrolysis electrode and demonstrate the applicability of scalable interface engineering for application in corrosive electrochemical systems.
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