AEM电解水阳极催化剂材料详解：现状与突破
自二十世纪初起，阳极析氧反应（OER）便成为众多研究论文聚焦的重点。与酸性析氢反应（HER）等相比，OER的电化学活性明显较弱，通过对比二者的交换电流密度（ECDs），即零净电流密度下的内在活性，便能清晰地看出这一差异。据估算，在酸性条件下，OER的交换电流密度仅为1×10⁻⁴mA/cm²，而HER高达1mA/cm² 。20世纪60年代PEM技术的出现，更是让这一话题备受瞩目，因为这些ECDs构成了严重的动力学限制，极大地制约了PEM电解槽和燃料电池的效率。
进入碱性条件下，情况发生了反转。那些在酸性环境中易快速腐蚀、溶解的OER催化剂，在碱性电解质里却展现出活性与稳定性。而且，相较于酸性条件，碱性环境下OER和HER的ECDs差异明显减小，这意味着在碱性电解质中研究这两种反应时，研究工作的开展更为均衡。
如今，新型碱性析氧反应的催化剂几乎完全摒弃了贵金属（PGM）。随着钴、钒等元素在电池及消费电子产品生产中的用量不断攀升，其稀缺性愈发凸显，而这些新型催化剂正逐步降低对关键原材料（CRMs）的依赖。当前，研究最为广泛的碱性析氧反应催化剂材料涵盖铁、镍、钴、锰和铬，且通常以双金属或三元组合的形式存在。上述元素中的一种或多种，常以尖晶石、钙钛矿及一般氧化物的形态相结合，在碱性条件下呈现出良好的活性与稳定性。
镍铁催化剂材料堪称最常见的OER材料之一。比如，通过水热法（一种在密封压力容器中，以水为溶剂，粉体经溶解和再结晶来制备材料的方法）在泡沫镍/镍网上生成的3D – NiFe – LDH薄膜，展现出了出色的活性。这是由于LDHs会原位转化为NiOOH，而NiOOH正是OER的活性相。在环境条件下，经时变电位计测试其稳定性，在10小时的测试过程中，它依然保持了97.8%的活性（ – 3.30mV/h）。这得益于催化剂与基底之间强大的结合力，即便是超声波处理，也无法使催化剂膜脱落。虽说NiOOH可能是NiFe催化剂材料在OER期间的活性相，但研究发现，铁的掺入对于OER活性起着至关重要的作用 。
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，这是因为铁与NiOOH物质相互融合。然而，进一步增加铁含量，会产生活性较低的富铁分离相。研究人员对NiFe催化剂的活性展开了深入探究，在氮掺杂石墨烯框架（NGF）中的纳米级NiFe LDHs展现出了在碱性OER中的潜力。
通过对比镍（II）/镍（III）氧化还原对应的氧化峰和相应的LSV曲线，还能确定NiOOH就是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，依据前后测量的LSV曲线数据，确定其降解速率为3.57 mV/h，进而明确了其稳定性。尽管在含铁量为20~25 at.%的镍铁层双氢氧化物（LDH）中确定了活性峰值 ，但其相关稳定性却遭人质疑。不过，铁含量越高，稳定性反而越高，即便在严苛的方波电位循环条件下，也能表现出良好的稳定性。另一种不同的Ni – Fe LDH材料，在铁含量接近50at.%时，展现出了卓越的活性和耐久性。这种Ni – Fe LDH电极是通过在镍盐溶液中腐蚀铁基底而生成的，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。如此出色的耐久性，得益于稳定的LDH，它既能作为铁基底的保护膜，又是活性催化层。与NiFe催化剂类似，在几种WₓCoᵧFe₁₋ₓ₋ᵧ/NF催化剂中改变铁的含量，进而产生了W₀.₅Co₀.₄Fe₀.₁/NF，该催化剂在OER方面显示出良好的活性和稳定性。添加铁降低了钴的氧化程度，优化了OER中间体的结合能，从而提升了OER的动力学性能。通过电化学阻抗谱测试，在20mA/cm²下持续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。近些年来，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，也展现出了不错的潜力，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）的情况下，工作300小时内表现优异，几乎没有降解。经稳定后的XPS和XRD分析显示，S从表面氧化层中渗出，但在材料内部保持稳定，从而使材料能够同时维持活性与稳定性。其他过渡金属也可与LDHs结合使用，其中CoFeCe₀.₅的研发成果颇为显著。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动力学过程更为顺畅。利用多界面材料来降低与RDS相关的能量壁垒，是制造复合反应催化剂材料的常用方法 。
为此，在泡沫镍（NF）上合成了掺杂V的CoCOₓ，该材料在碱性电解质中表现出析氧（OER）和析氢（HER）的活性。V掺杂改变了CoCO的电子结构，使d带更靠近费米能级，显著提升了OER活性。另一个涉及V和Co的例子是添加了P，从而得到了一种对OER和HER都极为有效的催化剂材料。通过调整电沉积过程中采用的电流密度，研发出了一系列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所带来的高多孔结构，能让电极在析氧过程中高效处理大电流，促使气泡从众多活性位点快速脱离。不过，一些研究中发现的相对较高的降解率，可能与稳定性测量时间较短有关。以NiFe LDHs为基础的类似催化剂材料，也展现出了与之相当的性能。
总体来看，碱性OER催化剂材料的基本构成，主要是各种镍铁组合。目前，稳定性测试大多在碱性电解质中进行，但人们愈发关注如何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需求相契合，若能使用非PGM材料，在去离子水体系中实现可接受的性能（E≤2V，j≥10A/cm²，T≥50°C），那么基于PEM的水电解技术或许将被取代。
研发一种在初始不含离子的分析物中具有催化活性的材料颇具难度，这在很多情况下促使人们加倍努力，开发用于KOH电解质环境的不含CRM催化剂材料。在这方面，不锈钢凭借价格低廉、生产普遍、应用广泛的优势，最近在碱性电解质中显示出良好的OER活性。所以，当下的趋势是将不锈钢GDL同时用作GDL和OER催化剂。
在AEM电解水阳极催化剂材料的制备过程中，驰飞超声波喷涂技术具有独特的应用优势。传统的催化剂涂覆方法，往往难以保证催化剂材料在电极表面的均匀分布，容易导致团聚等问题，影响催化活性。而驰飞超声波喷涂技术，利用超声波的高频振动，能够将阳极催化剂材料浆料雾化成极其微小且均匀的液滴。在将镍铁等催化剂材料喷涂到电极基底上时，可精准控制涂层的厚度与均匀性。通过精确调节喷涂参数，能确保催化剂均匀地覆盖在电极表面，大大提高了催化剂的利用率，使更多的活性位点得以暴露，从而显著增强阳极的催化活性。并且，该技术使催化剂与电极基底结合得更为紧密，在AEM电解水复杂的工作环境中，有效提升了催化剂的稳定性，减少因振动、电解液冲刷等因素导致的催化剂脱落，为AEM电解水技术的高效、稳定运行提供有力支持，助力其在制氢领域取得更大的突破与应用。
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