创记录！同济大学张清然，Science子刊！碱性电解水制氢技术！

光伏-碱性水（PV-AW）电解系统为大规模绿色氢气生产提供了一个有前景的方法。然而，目前的PV-AW系统在实际电流密度（例如>100 mA cm⁻²）下存在较低的太阳能转氢（STH）转化效率（例如<20%），导致所生产的氢气不具经济性。

成果简介

为此，新南威尔士大学Rose Amal/ Xunyu Lu等研究者在Science Advances期刊上发表了题为“A photovoltaic-electrolysis system with high solar-to-hydrogen efficiency under practical current densities”的最新论文。研究者设计并开发了一种高效的PV-AW系统，该系统主要由定制的先进AW电解槽和集光光伏（CPV）接收器组成。由氧化铁/镍（氧）氢氧化物（Fe₂O₃-NiOxHy）复合物构成的高效阳极氧气析出催化剂，使得定制的AW电解槽具有前所未有的催化性能（例如，在1.8 V下，1 A cm⁻²电流密度，48 kWh/kgH2下产氢速率为0.37 kgH2/m⁻²小时）。第一作者是上海大学校友张清然，现单位为同济大学。

得益于优越的水电解性能，集成的CPV-AW电解槽系统在大电流密度下达到了高达29.1%的STH效率（如果排除引线电阻损失，效率为30.3%），超过了所有先前报道的光伏电解系统。

创记录！同济大学张清然，Science子刊！碱性电解水制氢技术！

研究亮点

1. 实验首次开发了超小Fe₂O₃纳米颗粒负载在镍（氧）氢氧化物（Fe₂O₃-NiOxHy）纳米片上的多组分OER催化剂，达到了极高的析氧反应（OER）活性。实验结果表明，该复合催化剂在1 M KOH中表现出非常高的OER活性，在不进行电阻修正的情况下，100 mA cm⁻²和500 mA cm⁻²的电流密度分别对应过电位小于230 mV和400 mV。

2. 实验通过将Fe₂O₃-NiOxHy基氧电极应用于高性能碱性水电解（AWE）系统，成功实现了大电流密度下的高效氢气生产。在施加的电池电压分别为1.65 V和1.80 V时，该AWE系统在热KOH溶液中分别达到了0.5 A cm⁻²和1 A cm⁻²的高电流密度，展示了优异的性能。

3. 实验进一步将这种高效AWE系统与集光光伏（CPV）接收器结合，构建了一个高性能的PV-AW系统，成功达到了创纪录的太阳能转氢（STH）效率29.1%，并在排除引线电阻损失后，STH效率提升至30.3%。该系统在大电流密度下（最高240 mA cm⁻²）表现出卓越的性能，为绿色氢气生产提供了高效、低成本的解决方案。

图文解读

图1. Fe₂O₃-NiOxHy催化剂的微观结构分析。

图2. 在纯化的1 M KOH溶液中，Fe₂O₃-NiOxHy/NF、Fe₂O₃-NiOxHy/PTF的电化学测试及相关机理研究。

图3. Fe₂O₃-NiOxHy/FeF电极的电化学测试及使用Fe₂O₃-NiOxHy/FeF阳极的相应WE和PVE性能。

结论展望

本研究通过开发由超小Fe₂O₃纳米颗粒负载在镍氢氧化物基底上的OER电催化剂，成功制备了高性能的碱性水电解（AWE）电池，显著提高了光伏水电解（PV-WE）活动，从而促进了卓越的太阳能转氢（STH）效率。结合光谱研究表明，Fe₂O₃-NiOxHy催化剂的高效OER性能主要归因于Fe₂O₃-NiOxHy界面的形成，其中边缘的Fe原子和表面的Ni位点可以协同作用，启用双功能机制，这一观点也得到了计算研究的支持。将这种高活性的OER催化剂构建在FeF基底上，生成了高效的水电解阳极，能够轻松扩展到实际的AWE过程中，在仅1.8 V的电压下提供1 A cm⁻²的水电解电流密度。

进一步将这种高性能AWE单元与高效的集中光伏（CPV）模块结合，创造了创纪录的高STH效率，达到大电流下约30%的效率，超越了迄今为止所有报告的实际电流下的太阳能氢气系统。因此，通过设计Fe₂O₃-NiOxHy复合催化剂，所展示的光伏水电解系统不仅提供了一种实现具有成本效益的绿色氢气生产的可行途径，而且证明了开发高效AWE技术在促进PV-WE过程中的实际效果。

文献信息

Qingran Zhang et al. ,A photovoltaic-electrolysis system with high solar-to-hydrogen efficiency under practical current densities.Sci. Adv.11,eads0836(2025).DOI:10.1126/sciadv.ads0836

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