AEM电解水阳极催化剂材料详解
自二十世纪初以来，阳极析氧反应（OER）一直是许多研究论文的焦点，这是因为与酸性析氢反应（HER）等相比，阳极析氧反应的电化学活性相对较弱。最贴切的描述这一点就是比较它们的交换电流密度（ECDs），即它们在零净电流密度下的内在活性。据估计，在酸性条件下，OER 和 HER 的交换电流密度分别为1×10-4mA/cm2和1mA/cm2。20 世纪 60 年代 PEM 技术的出现使这一话题得到了更多关注，因为这些 ECD 代表了严重的动力学界限，限制了 PEM 电解槽和燃料电池的效率。
在碱性条件下，情况发生了逆转，因为在酸性条件下容易快速腐蚀和溶解的 OER 催化剂，在碱性电解质中既显示出活性也有稳定性。此外，与酸性条件相比，碱性 OER 和 HER 之间的 ECDs（交换电流密度） 差异较小，这意味着在碱性电解质中进行研究两种反应时，研究工作更加均衡。
新型碱性析氧反应的催化剂几乎完全不含贵金属（PGM），并且随着钴和钒等元素在电池/消费电子产品生产中的使用量增加，其稀缺性日益加剧，这些催化剂正逐步减少对关键原材料（CRMs）的依赖。目前研究最多的碱性析氧反应催化剂材料包括铁、镍、钴、锰和铬，通常是双金属或三元组合。上述元素中的一种或多种通常以尖晶石、钙钛矿和一般氧化物的形式结合在一起，在碱性条件下表现出活性和稳定性。
镍铁催化剂材料是最常见的 OER 材料之一，例如，通过水热法（水热法，简单理解是指一种在密封的压力容器中，以水作为溶剂、粉体经溶解和再结晶的制备材料的方法。）在泡沫镍/镍网上生成的 3D-NiFe-LDH 薄膜显示出良好的活性。这是因为 LDHs 原位转化为 NiOOH，其中NiOOH是OER活性相。在环境条件下通过时变电位计测试其稳定性，在 10 小时的测试中，它保持了97.8%的活性（-3.30mV/h）。这归因于催化剂与基底之间的强结合力，即使是超声波处理也无法使催化剂膜脱落。虽然 NiOOH 可能是 NiFe 催化剂材料在 OER 期间的活性相，但人们发现铁的掺入对 OER 活性至关重要 。
化学还原的 Ni100-xFex/50wt.% CeO2（x = 0、5、10、20、40 at.%）的活性在 Ni80Fe20/50wt.% CeO2 时达到峰值，这是由于铁与 NiOOH物质融合。进一步增加铁含量会产生活性较低的富铁分离相。研究人员也对 NiFe 催化剂的活性进行了详细研究，在氮掺杂石墨烯框架（NGF）中的纳米级 NiFe LDHs 显示出了碱性 OER 的潜力。
通过比较镍（II）/镍（III）氧化还原对应的氧化峰和相应的 LSV 曲线，还确定了 NiOOH 是 OER 活性的来源。在 15mA/cm2左右的条件下进行 3.3 小时的恒电流电位极化测试，根据前后测量的 LSV 曲线数据确定了 3.57 mV/h的降解速率，从而确定了其稳定性。虽然在含铁量为 20~25 at.% 的镍铁层双氢氧化物 (LDH) 中确定了活性峰值 ，但相关的稳定性却受到质疑。铁含量越高，稳定性就越高，即使在严格的方波电位循环条件下也能显示出良好的稳定性。另一种不同的Ni-Fe LDH 材料显示出出色的活性和耐久性，其中铁的含量接近50at.%。这种Ni-Fe LDH电极是通过在镍盐溶液中腐蚀铁基底而产生的，生成的Ni-Fe LDH薄膜在 1.0mA/cm2下保持了 5000 小时以上的活性和耐久性。出色的耐久性归功于稳定的 LDH，它既是铁基底的保护膜，又是活性催化层。与 NiFe 催化剂类似，在几种 WxCoyFe1-x-y/NF 催化剂中改变铁的含量，从而产生了 W0.5Co0.4Fe0.1/NF，该催化剂在OER方面 显示出活性和稳定性。添加铁降低了钴的氧化程度，从而优化了 OER 中间体的结合能，从而提高了 OER 的动力学性能。通过电化学阻抗谱在20mA/cm2下的 504小时的稳定性很可能得益于Fe的存在，抑制了与Co氧化相关的典型稳定性问题。近年来，使用杂原子（如 B、S、N 和 P）作为掺杂剂来改变过渡金属的电子结构也显示出良好d的潜力，例如 Ni2Fe8-Ni2S3/NF 催化剂。
Ni2Fe8-Ni2S3/NF 催化剂在保持相关电流密度（j≥1.0mA/cm2），在工作300 小时内表现出色，几乎没有降解。稳定后的 XPS 和 XRD 显示，S 从表面氧化层中渗出，但在材料内部保持稳定，从而使材料既能保持活性又能保持稳定。其他过渡金属也可与 LDHs 结合使用，其中 CoFeCe0.5 的开发取得了很好的效果。CoFe LDHs 与 CeO2 之间的界面通过降低 OH- 吸附能来改变速率决定步骤 (RDS)，从而提高了 OER 活性，使 OER 动力学更为简便。使用多界面材料来降低与 RDS 相关的能量壁垒，是一种常用的制造复合反应催化剂材料的方法 。
为此，在泡沫镍 (NF) 上合成了掺杂 V 的 CoCOx，并在碱性电解质中显示出析氧 (OER) 和析氢 (HER) 的活性。V 掺杂改变了 CoCO 的电子结构，使 d 带更接近费米能级，从而显著提高了 OER 活性。另一个涉及 V 和 Co 的例子是添加了 P，从而产生了一种对 OER 和 HER 都最有效的催化剂材料。通过调整电沉积过程中采用的电流密度，开发出了一系列 V-CoP 催化剂。所有催化剂都具有相同的内在OER 活性（η@20 mA/cm2），这表明电沉积电流密度有助于调节质量传输特性。高电流密度电沉积工艺带来的高多孔结构使电极能够在析氧过程中有效地处理大电流，从而使气泡从许多活性位点快速脱离。一些研究 发现的相对较高的降解率可能与测量稳定性的时间较短有关。以 NiFe LDHs 为基础的类似催化剂材料显示出与之相当的性能。
碱性 OER 催化剂材料的基本概况，主要由各种镍铁组合组成。稳定性主要在碱性电解质中进行测试，但人们越来越关注提高催化剂在去离子水中的活性。这与使用去离子水作为电解质进行碱性水电解的必要性相吻合，届时，使用非PGM 材料实现可接受的性能（E≤2V，j≥10A/cm²，T≥50°C），那么基于PEM的水电解技术可能会被淘汰。
创造一种在初始不含离子的分析物中具有催化活性的材料是相当困难的，这在很多情况下导致人们加倍努力去开发不含CRM催化剂材料用于KOH电解质环境。在这方面，不锈钢价格低廉，生产普遍，应用广泛，最近在碱性电解质中显示出良好的 OER 活性。因此，目前的趋势是将不锈钢 GDL 同时用作 GDL 和 OER 催化剂。
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