MgCo?O?@NiCo层状双氢氧化物核壳复合体制备的高容量氧化还原介质，用于可持续分离式水电解

《Journal of Colloid and Interface Science》：MgCo 2O 4@NiCo layered double hydroxide core-shell composite as a high-capacity redox mediator for sustainable decoupled water electrolysis

采用三步法合成MgCo2O4@NiCo-LDH核壳异质结构，作为高效氧化还原媒介电极，在膜分离水电解中实现氢氧解耦，电压降低且循环稳定。

　　这项研究致力于开发一种高性能的红ox介质电极（RM electrode），用于实现无膜、解耦的水电解系统，以高效、安全地生产氢气。随着全球能源系统向可持续方向迅速转型，对清洁、可再生的氢气生产技术的需求也日益增加。水电解作为一种重要的氢气生产方式，因其经济性和对过剩可再生能源电力的兼容性而受到广泛关注。然而，传统水电解系统中氢气和氧气的生成反应同时发生在同一电极上，这不仅增加了系统的复杂性，还带来了氢气与氧气混合可能引发爆炸的安全隐患。为了解决这些问题，研究人员提出了解耦水电解技术，该技术通过使用红ox介质将氢气和氧气的生成反应分别进行，从而实现了反应的时空分离。

红ox介质在解耦水电解系统中扮演着关键角色，它作为电荷转移的中间体，能够有效促进反应的进行。然而，目前红ox介质电极的开发仍面临诸多挑战，如电荷存储能力不足、红ox循环稳定性差等问题。因此，设计和合成具有优异性能的红ox介质电极成为推动该技术发展的核心任务。研究团队通过一种三步策略，即水热合成、退火处理和电沉积，成功构建了一种三维自支撑的MgCo?O?@NiCo氢氧化物（LDH）异质结构电极。这种电极不仅具备良好的电导率和结构稳定性，还提供了丰富的电化学活性位点，从而显著提升了其性能。

在材料设计方面，研究团队选择了MgCo?O?作为核心材料，因为它具有独特的尖晶石结构，能够促进高效的电荷转移动力学。同时，MgCo?O?的单维形态也确保了其在机械稳定性方面的优势。而NiCo-LDH则被选为壳层材料，因其具有较高的电化学活性，特别是在氢气和氧气的生成反应中表现出色。通过在镍泡沫（NF）基底上构建这种核心-壳层异质结构，研究团队实现了材料的三维多孔网络，这种结构有助于形成分层通道，从而提升活性位点的可及性和离子扩散效率。此外，这种异质结构还通过界面工程增强了核心与壳层之间的电子耦合，进而产生内建电场，促进电荷转移并优化反应中间体的吸附能。

在实验过程中，研究人员首先通过水热合成法在镍泡沫上生长出MgCo?O?纳米针阵列。这种纳米针结构不仅提供了较大的表面积，还增强了电极的机械强度，使其能够承受后续的电沉积过程。接下来，通过退火处理进一步优化了MgCo?O?的晶体结构和表面特性，为后续的NiCo-LDH电沉积奠定了基础。最后，利用电沉积技术在MgCo?O?纳米针上生长出NiCo-LDH纳米片，形成稳定的异质结构。整个过程不仅确保了材料的均匀分布，还避免了纳米片的堆叠，从而提升了电极的整体性能。

从性能评估来看，该电极在5 mA/cm2的电流密度下表现出高达2091 ± 12 F/g的比电容，显示出极高的电荷存储能力。这一性能指标表明，该电极能够有效支持氢气和氧气的生成反应，并在解耦系统中实现高效的能量转换。在解耦电解系统中，该电极能够将水的分解过程分为两个独立的阶段：氢气生成反应（HER）在1.39 V下进行，而氧气生成反应（OER）则在0.33 V下完成。这种低电压操作显著降低了整体系统的能耗，提高了生产效率。

此外，该电极还展现出出色的红ox可逆性和长期循环稳定性。在多次循环测试中，电极能够保持其结构完整性，并持续高效地进行电荷存储和释放。这种稳定性对于实际应用至关重要，因为氢气生产系统通常需要长时间连续运行。因此，该电极不仅在性能上具有优势，还具备良好的工程应用潜力。

从技术实现的角度来看，该研究为红ox介质电极的设计提供了一种可行的策略。通过核心-壳层异质结构的构建，研究团队成功克服了传统红ox介质材料在电导率和循环稳定性方面的不足。这一创新设计不仅提升了电极的性能，还为未来开发高效、安全的氢气生产技术奠定了基础。此外，该研究还强调了材料界面工程在提升电极性能中的重要性，为后续相关研究提供了新的思路和方向。

在应用前景方面，该电极的设计理念有望应用于多种可再生能源系统，特别是在处理间歇性能源（如风能和太阳能）时具有显著优势。由于解耦水电解系统能够降低系统的整体电压需求，从而减少能量损耗，因此该电极有望在提高能源利用效率的同时，增强系统的安全性。这种技术的推广和应用将有助于推动氢气作为清洁能源载体的普及，为实现碳中和目标提供有力支持。

综上所述，这项研究通过创新的材料设计和合成策略，成功开发出一种高性能的红ox介质电极，为解耦水电解技术的发展提供了新的解决方案。该电极不仅在性能上表现出色，还具备良好的工程应用前景，有望在未来氢气生产领域发挥重要作用。研究团队的贡献在于将材料科学与电化学工程相结合，通过界面工程和结构优化，显著提升了红ox介质电极的性能，为实现可持续、高效的氢气生产技术提供了坚实的理论和技术基础。