中国海洋大学Inorg. Chem. Front. | 焦耳热放大制备 NiMoO4/MoO2 电极：面向 RO 海水电解的工业级析氢催化剂

1. 背景碱性水电解是当前最成熟、最具规模化基础的绿氢技术之一但大规模制氢对淡水资源的依赖仍是现实约束。海水储量巨大若经反渗透预处理后与碱性电解槽耦合可在降低 Ca2、Mg2、有机物和微生物干扰的同时避免直接海水电解中沉积、腐蚀和活性位堵塞等问题。真正面向工业应用的关键不仅是催化剂本征活性还包括电极基底选择、催化层结合强度、高电流密度稳定性和大面积制备工艺可放大性。2. 论文概要本文中中国海洋大学孟祥超教授团队提出一种“水浴预生长 快速焦耳热转化”的可放大策略在工业常用镍网基底上构筑 NiMoO4/MoO2 异质结构析氢阴极并实现 10 cm × 10 cm 大面积电极制备。水浴过程保证 Ni-Mo-O 前驱体均匀覆盖随后在 Ar-H2 气氛中通过焦耳热以 163 K s-1 的升温速率、973.1 K 条件处理 80 s快速生成 NiMoO4/MoO2。该电极在 1 M KOH 与 1 M KOH 海水中达到 500 mA cm-2 时过电位分别为 345.2 和 349.2 mV并可在 1 A cm-2 下稳定运行 1000 h在 6 M KOH RO 海水、60 °C 的准工业碱性电解装置中NiMoO4/MoO2 阴极使 500 mA cm-2 所需电压较裸镍网体系降低 1 V法拉第效率达 90.2%电耗为 4.48 kWh/Nm3 H2。3. 图文解读图 1 | 水浴-焦耳热路线实现大面积 NiMoO4/MoO2电极构筑图 1 展示了材料合成路线和结构证据镍网先在含镍盐和钼盐的水浴体系中形成 Ni-Mo-O 前驱体再经快速焦耳热转化为 NiMoO4/MoO2。10 cm × 10 cm 光学照片证明该方法具备大面积制备能力SEM 显示催化层形成纳米片结构EDX 证实 Ni、Mo、O 均匀分布TEM/HRTEM 进一步观察到 NiMoO4 与 MoO2 异质界面和晶格畸变说明焦耳热的快速升降温有利于形成丰富活性位点并增强催化层结构特征。图 2 | 高电流 HER 活性、可放大均匀性与 1000 h 稳定性图 2 系统比较了 NM、Ni-Mo-O、NiMoO4、MoO2 和 NiMoO4/MoO2 的析氢性能。NiMoO4/MoO2 在 1 M KOH 和 1 M KOH 海水中均表现出最低过电位、较小 Tafel 斜率、更高双电层电容和更低电荷转移阻抗在不同镍基底和不同尺寸样品上仍保持良好性能说明水浴-焦耳热法具有放大适应性。尤其是在 1 M KOH 海水中电极可在 1 A cm-2 下稳定 1000 h且催化层未出现明显剥落或堵塞凸显其面向工业高电流工况的稳定基础。图 3 | 异质界面调控电子结构并加速 HER 动力学图 3 通过 Raman、XPS、Nyquist 和 Bode 相位图解析 NiMoO4/MoO2 的活性来源。Raman 与 XPS 显示 NiMoO4 和 MoO2 之间存在电子相互作用Mo 与 Ni 价态和结合能变化说明异质界面完成电子结构重构EIS 和 Bode 分析表明该异质结构兼顾适中的氢吸附与氢脱附能力可同时加速 Volmer 步和后续氢脱附过程从而解释其优于单相 NiMoO4 或 MoO2 的析氢动力学。图 4 | 准工业 RO 海水碱性电解装置验证应用潜力图 4 将材料性能推进到装置层面作者搭建包含电解槽、循环泵、电加热系统、氢氧分离器和五腔室结构的碱性水电解装置并采用 6 M KOH RO 海水模拟准工业条件。与 NM||NM 相比NM||NiMoO4/MoO2 在 40-80 °C 均表现出更优电压-电流响应60 °C 下达到 500 mA cm-2 时电压降低约 1 V法拉第效率为 90.2%电耗 4.48 kWh/Nm3 H2并在 500 mA cm-2 下稳定运行 24 h体现了从材料制备到电解器验证的工程化闭环。4. 总结展望这项工作的重要性在于把催化剂设计、工艺放大和准工业电解验证放在同一框架下水浴法解决前驱体大面积均匀生长问题快速焦耳热则通过短时高温转化构筑 NiMoO4/MoO2 异质界面、晶格畸变和强结合催化层最终实现高电流析氢活性、1000 h 海水碱性环境稳定性和 10 cm × 10 cm 电极放大。该路线为 RO 预处理海水与工业碱水电解耦合提供了可操作的电极材料方案后续仍需进一步验证更大面积电极的一致性、多堆栈电解槽长期运行、RO 海水离子富集后的真实寿命、膜/隔膜兼容性以及系统级能耗核算从而推动实验室催化剂向工程化绿氢装备过渡。原文Scalable and Engineering Active NiMoO 4 /MoO 2 Catalyst by Rapid Joule Heating toward Industrial Pre-treated Seawater Electrolysis. Yiming Chen, Zhan Zhao, Yuanyuan Liu, Kelei Huang and Xiangchao Meng. DIO: https://doi.org/10.1039/D6QI00745G. Inorg. Chem. Front., 2026技术观察这篇论文展示了快速焦耳热在 NiMoO4/MoO2 电极放大制备中的应用价值通过短时高温处理实现异质结构筑、界面调控和电极稳定性提升。对于从事实验室材料制备向工程化放大的研究团队而言焦耳热技术的优势不仅在于快速升温更在于其对缺陷结构、界面结合和大面积电极一致性的调控潜力。中科精研长期关注焦耳热装备与工艺开发可为催化、电解水、储能材料和功能薄膜等方向提供焦耳热实验平台与工艺方案支持。说明本文为公开论文的焦耳热技术路线解读不涉及论文实验设备品牌背书或商业合作关系判断。