勾引 处男 碱性大电流电解水析氧催化剂的无间进展 Research Progress of Oxygen Evolution Catalyst for Alkaline Electrolysis of Water with High Current

南通大学化学化工学院勾引 处男，江苏 南通

收稿日历：2022年7月1日；请托日历：2022年7月25日；发布日历：2022年8月4日

提要

电解水制氢是坐蓐氢气的伏击方法，对改日能源的可抓续发展至关伏击。析氧反映的高势垒和反映历程中的多电子转移导致其能源学反映速度冷静，在阳极上负载析氧催化剂，不错裁减电解历程耗能，擢升制氢效果。频年来为裁减工业制氢资本，碱性大电流电解水析氧催化剂受到往往的矜恤。本文源流先容了电解水制氢的旨趣和析氧反映在碱性电解质下的反映机理。然后，回来了频年来报谈的碱性大电流电解水析氧催化剂的无间进展，主要包括贵金属基析氧催化剂和非贵金属基析氧催化剂。临了对改日大电流析氧催化剂的发展场地作念了瞻望。

要津词

析氧反映，大电流催化剂，贵金属，非贵金属，碱性电解水

Research Progress of Oxygen Evolution Catalyst for Alkaline Electrolysis of Water with High Current

Penghui Guo， Yihui Zhou， Lin Zhang， Yanqing Wang*

School of Chemistry and Chemical Engineering， Nantong University， Nantong Jiangsu

Received: Jul. 1st， 2022; accepted: Jul. 25th， 2022; published: Aug. 4th， 2022

ABSTRACT

Hydrogen production by electrolysis of water is an important method to produce hydrogen， which is crucial to the sustainable development of energy in the future. The high potential barrier of oxygen evolution reaction and the multi-electron transfer in the reaction process lead to the slow kinetic reaction rate. Loading oxygen evolution catalyst on the anode can reduce the energy consumption in the electrolysis process and improve the hydrogen production efficiency. In recent years， in order to reduce the cost of industrial hydrogen production， alkaline high-current electrolyzed water oxygen evolution catalyst has been widely concerned. Firstly， this paper introduces the principle of hydrogen production by electrolysis of water and the reaction mechanism of oxygen evolution in alkali electrolyte. Then， the research progress of as-reported alkaline high-current electrolysis of water oxygen evolution catalysts in recent years is summarized， including noble metal-based oxygen evolution catalysts and non-noble metal-based oxygen evolution catalysts. Finally， the development direction of high current oxygen evolution catalyst in the future is prospected.

Keywords:Oxygen Evolution Reaction， High Current Catalyst， Precious Metals， Non-Precious Metals， Alkaline Electrolyzed Water

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1. 序文

昔时的几十年间，跟着社会发展的加速，严峻的能源问题以过甚引起的环境问题引起了列国的怜爱，太阳能、风能、水能等可再生的新能源的使用比例在快速上涨。现在，人人能量源流依旧是以化石燃料为主，化石燃料在能源结构中占比均在83.1%以上 [1]。太阳能、风能、水能源等新能源受时候和空间的抛弃发展冷静，假如将它们通过驱动水明白产生更易储存运载的氢能，不错很好的经管太阳能、风能等存在的间歇性、难储存的问题 [2]。

氢能具有能量密度高、可再生且毁灭居品清洁的优点，被以为是改日最具后劲的替代能源 [3]。现在，天下范围内每年坐蓐的氢气中，96%的氢气王人是由化石燃料制成的，这种制氢的方法会产生无数的CO2温室气体，混浊环境 [4] [5]。电水解制氢比拟于化石能源制氢，原料水丰富且可再生，况且水明白历程中无无益气体生成、效果高、居品氢气纯度高，因此电解水制氢成为了新能源无间的热门。

电解水制氢工艺主要在碱性和酸性介质中进行。酸性溶液当作电解质具有愈加优异的能量效果，制氢速度更高。关联词，酸性介质会腐蚀电解池和电反映成立，在酸性环境的制氢资本更高。诚然贵金属基材料在酸性介质有较好的活性，但是大多数过渡金属催化剂在强酸环境中是不雄厚的。比拟之下，过渡金属材料在碱性电解槽中有较好的催化活性，况且在相应的买卖化工夫得到了很好的发展。因此，促进碱性电解槽的发展对大范围制氢起着至关伏击的作用。图1是碱性电解水工艺线路图，通盘水明白的反映不错分为两个半反映，即析氧反映(OER)和析氢反映(HER)，辨别发生在电解池的阳极和阴极 [6]。析氢反映只需要转移两个电子–质子，析氧反映通过水的电化学氧化产生氧气，通盘历程触及四个质子和四个电子，通过多步质子耦合电子转移进行。析氧反映在能源学上很冷静，不仅增多了电解水的能耗，更需要施加更大的电压驱动反映，裁减了制氢的效果，大大抛弃了电解水在工业边界的应用 [7]。是以，需要有用的电催化剂来加速反映，减少过电位，从而擢升能量窜改效果。

现在依然告捷斥地出许多优良的碱性电解水析氧催化剂，但是它们大多数只适用于小电流的环境，在工业坐蓐所需要的大电流密度下，其催化性能往往呈现快速下落的趋势，仍然无法得志买卖化的要求：在1.8~2.4 V的电压下，电流密度达到200~400 mA/m2。是以，斥地出能在500 mA/m2以上的高电流密度下，仍然简略保抓雄厚、高效的电催化剂，关于提广宽范围电解水使命的效果有着至极伏击的真谛。

电解水制氢在能量储存与能量窜改中具有伏击真谛，发展大电流析氧催化剂是擢升工业制氢的伏击场地。因此，有必要回来近几年的大电流析氧催化剂的发展情况，以鼓励该边界从执行基础无间走向工业应用。本文从电解水的旨趣启程，简要先容在碱性环境要求下析氧催化剂的催化机理。回来了碱性大电流析氧催化剂的分类，并辨别对近几年的贵金属基催化剂和非贵金属大电流析氧催化剂的无间情况作念了分析和回来。临了，对现时大电流析氧催化剂濒临挑战作念了简要分析，并对改日的发展进行瞻望。

图1. 碱性电解水工艺线路图

2. 析氧催化剂的催化机理

析氧催化剂主如果负载在阳极上，在电解池使命历程中不错加速阳极OER的速度和裁减驱动OER的能量。析氧催化剂的旨趣包括裁减阳极反映的能垒，促进中间居品的吸附，擢升电子传递的效果等。

电解池在使命时，反映产生的氧气从阳极名义逸出。

工业坐蓐中，为了降粗劣耗，往往以强酸或强碱溶液当作电解质。不管在何种介质中，发生一次析氧反映王人需要转移四个电子和四个质子。碱性电解质下，催化位点不错两个吸附的O平直聚首产生O2，也不错在催化位点形成OOH中间体。在OER历程中存在多个中间体(如O*、OH*和OOH*)，导致难以详情速度适度容颜 [8]。

阴极： H 2 O + 2 e − → H 2 + 2 O H − (1)

阳极： 2 OH − → H 2 O + 1 2 O 2 + 2 e − (2)

催化机理： M + OH − → MOH + e − (3)

MOH + OH − → MO + 2 H 2 O + e − (4)

MO + OH − → MOOH + e − (5)

MOOH + OH − → M + O 2 + 2 H 2 O + e − (6)

OER在门径要求下，即25℃和门径大气压下，析氧反映的热力学电位值王人是1.23 V。关联词，骨子上电解池在使命历程中，老是需要施加更大的电位身手驱动阳极的析氧反映。超出部分(称过电位或超电势，η)主如果克服析氧反映固有的势垒以及溶液电阻(ηa和ηc)、斗争电阻(ηother)等其他电阻 [9]。是以，要裁减过电位，擢升制氢效果，即是要裁减ηa和ηc和ηother。其中，电阻不错通过想象电解池的结构来裁减，而裁减固有能垒的方法主如果负载高活性的析氧催化剂。是以需要斥地出简略有用裁减析氧反映能垒的阳极电催化剂。

3. 碱性大电流电解水析氧催化剂

大电流析氧催化剂往往不错分为贵金属基与非贵金属基(图2)。其中，诚然贵金属有多种，但其中当作析氧催化剂的主如果Ir基、Ru基和Pt基催化剂。而非贵金属基析氧催化剂分类阵势一般是两种。按非贵金属的种类不错分为Co基、Ni基、Fe基、Mn基等析氧催化剂，按非金属元素的种类不错分为非贵金属氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物等析氧催化剂。

图2. 大电流析氧催化剂分类线路图

贵金属的氧化物在当作析氧催化剂时，具有最好的催化活性。但是，贵金属在地壳中的含量少，价钱奋斗，且在万古候的电解历程中穷乏雄厚性等，阻截了电解水制氢工夫工业化的进度。贵金属在所有pH要求下王人阐扬出很好的OER性能，而非贵金属析氧催化剂则在碱性要求下更有无间的价值，是以碱性电解水催化剂受到东谈主们的翔实。

3.1. 贵金属基催化剂

贵金属催化剂的高资本影响了其在电解水制氢边界的应用，但由于其优异的性能，仍然往往应用于制备电解水的阳极催化剂。关于大电流的贵金属基电催化剂的无间主如果通过掺杂、负载等方法，裁减贵金属的用量，擢升其阁下率，并擢升催化剂在高电流密度下的活性和雄厚性。

3.1.1. Ru基催化剂

金属Ru在无间中阐扬出较好的析氢性能，但在析氧反映的历程中雄厚性差。因此很少将Ru金属单独当作析氧催化剂使用。而RuO2则在驱动OER方面有独有的上风，在所有贵金属基析氧催化剂中，具有最高的OER活性。但是RuO2不管在酸性如故碱性要求下，RuO2的雄厚性王人很差。尤其在高电流密度下，RuO2会很快进一步氧化而使催化活性快速下落，不适用于在工业的永广泛电流要求下使命。

在昔时的几年中，Ru单质、Ru与其他一种或多种金属构成的合金、Ru的氧化物过甚化合物在大电流析氧催化剂边界得到了往往的无间。现在RuO2在大电流析氧催化剂方面的使用，主如果对RuO2纳米颗粒的尺寸、纳米结构、结晶度、晶型等进行调控，并负载在其他析氧催化剂上，擢升催化剂的OER性能。Wu Dulan等 [10] 以在将Ru加入到钴基氧化物中，构建了掺入Ru的无定形钴基氧化物(Ru-CoOx/NF)，合成了一种OER/HER双功能的非晶态电催化剂。它在1 M的KOH碱性介质中，只需要370 mV和252 mV的过电位就不错进行驱动OER和HER达到1000 mA/cm2的电流密度。而且，在拼装好电解槽后，该电解池只需2.2 V的超低电压，就不错达到1000 mA/cm2的电流密度。

3.1.2. Ir基催化剂

诚然IrO2与RuO2比拟雄厚许多，但在永广泛电流的刺激下，仍然存在组分与物资结构的变化，变成性能的衰减。Ir基电催化剂在析氧反映历程中一初始的是Ir(OH)3，经过一步去质子化的历程后，变为IrO(OH)2，然后IrO(OH)3会进一步氧化为IrO3，此时Ir为正六价。在之后的反映中，IrO3分为两个部分。一部分会归附成+3价的Ir离子，这就回到了当先的景色，况且会开释出氧气；另一部分的IrO3会再次发生氧化，以 IrO 4 − 的容颜存在于电解质中，导致催化剂零碎。这部分的反映是东谈主们不渴望发生的，因为这会裁减催化剂的活性和雄厚性。

Ir基大电流析氧催化剂的研发念念路和Ru基催化剂接近，无间者雷同是针对单原子Ir、Ir的氧化物以及Ir各类结构的合金，包括纳米颗粒、纳米线、纳米棒等进行无间。或者是将Ir在其他材料(如非贵金属材料)上负载。Jiang Peng等 [11] 遴荐Ir改性金属有机框架(MOFs)先行者体的战略，将IrFe纳米合金撑抓在掺杂N元素的碳片上，通过Fe原子的加入，改变了催化剂的电子结构。IrFe/NC催化剂只需850 mV的过电位就能提供1000 mA/cm2的电流密度，跳跃了首先进的买卖贵金属催化剂Pt/C。

3.1.3. Pt基催化剂

Pt基电催化剂在碱性要求下的能量窜改效果较高，是优异的析氢反映(HER)和氧归附反映(ORR)催化剂。不管是在酸性如故碱性要求下，Pt王人被以为是最优异的析氢催化剂，暂时莫得其他金属不错很好的代替Pt当作电解水的阴极材料。当Pt当作阳极时，发生的是氧归附反映。关联词，Pt的氧化物属于惰性物资，且Pt基析氧催化剂的活性较低，一般不只独当作析氧催化剂。

基于上述原因，无间者们往往将ORR活性Pt基材料与OER活性材料(如优异的Ir基、非贵金属基析氧催化剂等)聚首，杀青双功能电催化剂的构筑。双功能电催化剂对两个半反映王人具有催化活性，不错简化成立的结构，裁减坐蓐资本，在工业坐蓐的大电流大范围要求下，显得尤为伏击。Wu Jin等 [12] 用浅薄的自觉氧化归附方法将Pt负载到CoFe(II)LDH催化剂上，阁下催化剂的三维多孔结构和Pt纳米团簇与Co、Fe的协同作用，共同擢升Pt-CoFe(II)LDH的催化活性和雄厚性。在1 M的KOH电解液中，Pt-CoFe(II)LDH在500 mA/cm2的高电流密度下可雄厚催化40 h以上。

3.2. 非贵金属基催化剂

贵金属过甚氧化物，因为骨子电流密度下的OER超电势低，是以他们在酸性和碱性环境下王人阐扬出很好的OER催化性能。但是由于他们储量少且资本高的性情，使得他们买卖应用上受到抛弃。因此，若不错用储量丰富、资本较低且耐腐蚀的非贵金属来统统代替贵金属在这方面的应用，则能使电解水制氢展现出巨大的可能性。

频年来，非贵金属(如Ni、Fe、Co等)基化合物，在催化OER方面，阐扬出优异的性能，不休向贵金属催化剂围聚。关联词，要获取简略拼装成工业电解槽的OER或HER电催化剂，使其简略在高电流密度(≥500 mA/cm2)下雄厚使命，仍然具有挑战性。因为在高电流密度下，阳极上会形成无数的O2气泡。在这种情况下，气泡会在电催化剂和电解质界面上无数堆积，严重阻截液体的传质历程，减缓了电子转移速度，也会减少催化剂上活性位点的理会，最终导致催化剂活性和雄厚性的下落。另外，在贯穿的大电流催化历程中，电极隔邻的离子和电子会无数铺张，若此时电子转移太慢导致反映的电子供应不及或电极隔邻离子浓度太低，会使电流密度下落 [13]。因此，除裁减OER势垒之外，大电流析氧催化剂的想象还必须讨论电导率和对催化剂名义进行调控。

3.2.1. Co基催化剂

Co元素是一种储量丰富的三维金属元素，其氧化物、磷酸盐、硫酸盐等已被往往用于大电流OER催化剂的制备，阐扬出艰深的活性与雄厚性。磷酸盐理会在空气中易氧化，在骨子应用的大电流情况下，名义老是掩饰氧化物层。将非贵金属氧化物和磷化物组合形成的多组分催化剂不错改善这种情况，并阐扬出更高的催化活性，愈加恰当大电流的使用要求。Zhang Xiaoyan等 [14] 想象了一种Co3O4/Fe0.33Co0.66P纳米界面，不仅增强了界面的催化活性，而且裁减了水氧化历程中每一步反映的能垒，在大电流下，阐扬出惊东谈主的雄厚性。Co3O4/Fe0.33Co0.66P催化剂在800 mA/cm2的电流密度下，过电位为291 mV。况且，在240 mV的过电位下，进行了150 h的极化测试后，其电流密度耗损不错忽略不计，晶体结构和形态保抓艰深，依然跳跃了许多贵金属催化剂的性能

3.2.2. Ni基催化剂

镍基催化剂是一种经济高效的水电解替代催化剂，因其具有低资本、固有的催化活性和储量丰富，被无间者以为是有后劲OER催化剂。同期镍的高导电性、热雄厚性和艰深的电学性能使它成为一种很好的电催化剂材料。往往，Ni在溶液以二价阳离子容颜存在，但它的化合价不错在+1到+4间变化，使它不错杀青多种电子跃迁。催化剂在电水解历程中的性能与其晶体结构、尺寸散播、化学组分、名义化学和电导率等关联，是以擢升镍基催化剂的电催化活性的要津是颐养其化学环境、结构和描述 [15]。

现在斥地的许多优异的大电流析氧催化剂许多王人用到了镍元素，包括使用泡沫镍基底或是负载镍元素等。尤其不错讨论将Ni和Fe聚首制备催化剂，这类催化剂比镍氧化物/氢氧化物具有更高的OER电催化活性，其在高电流密度下的应用受到往往矜恤。Gao等 [16] 用一步电化学千里积法，在Ni丝复合电极上制备了S掺杂的非晶态NiFe2O4/Ni3Fe复合电极，具有出色的OER电催化活性。该电极达到500 mA/cm2的大电流密度，只需要提供285 mV的低过电位，且在500 mA/cm2电流中的催化性能不错雄厚保抓20 h。Zhu Weijie等 [17] 想象了NiFe/NiFe-OH双金属合金和氢氧化物核壳层电催化剂。由NiCo/NiCo-OH和NiFe/NiFe-OH拼装而成的电解槽在碱性要求下只需要1.74 V的电压就能杀青500 mA/cm2的水解电流，且该电解槽可在1000 mA/cm2下雄厚催化300 h以上，远远优于现在商用的Pt/C和RuO2构成的电解槽。

3.2.3. Fe基催化剂

与Ni基、Co基电催化剂比拟，Fe基OER催化剂的无间相对较少，一方面是由于还莫得表面野心和执行已矣不错明确Fe基电催化剂的催化机理，另一方面FeOOH的活性与电导率也并不高 [18]。Fe过甚化合物很少单独当作电解水的催化剂使用，而是当作掺杂物加入到其他催化剂中。Fe掺杂到Ni基、Co基电催化剂中能有用的增强催化剂的导电性能、改变Ni和Co(氧)氢氧化物的结构，对增强OER催化剂有伏击的作用 [19]。各项无间标明，Fe元素或多或少的掺入王人不错有用擢升催化剂的OER性能 [20]。

Zhou Haiqing等 [21] 报谈了一种由Fe(PO3)2/Ni2P构成的镍泡沫电催化剂，在过电位仅265 mV和300 mV时，其电流密度辨别为500 mA/cm2和1705 mA/cm2，具有优异的永远性，不错用于大范围的买卖化。Ren Jintao等 [22] 在泡沫镍上合成Ni(OH)2纳米片，然后将该电极置于含Fe3+的溶液中，得到具有非常纳米结构的Ni(OH)2-Fe/NF电极。Fe的掺入引起了部分电荷转移，从而极地面改变了Ni(OH)2的电子结构，促进了电极对OER和HER的电催化活性。该电极在330mV的过电位下，电流密度为1000 mA/cm2，况且不错在1100 mA/cm2的电流和1 M的KOH电解液中，雄厚使命至少10 h。Ye Qinglan [23] 用浅薄的水热法合成NiFe片阵列当作电催化剂。NiFeLDH纳米阵列在255mV和284 mV的过电位下，电流密度辨别为500 mA/cm2和1000 mA/cm2，况且1 M的KOH电解液和750 mA/cm2的电流下简略雄厚使命跳跃40 h。

3.2.4. Mn基催化剂

Mn基电催化剂亦然东谈主们往往无间的对象。构建纳米结构和擢升亲水性情，不错加速气体的逸出和增多活性位点的数目，这在大电流密度要求下显得尤为伏击。Tang等 [24] 在泡沫镍上构建了形态、身分可控的碳酸钴锰(CoMnCH)纳米片阵列，且可当作双功能电催化剂。Mn掺杂同期颐养纳米片的形态和Co中心的电子结构，从而显赫增多了催化剂电化学活性。CoMnCH/NF电极也具有成心于传质历程的纳米结构，其在1000 mA/cm2电流密度下的过电位为462 mV。Liu Hao等 [25] 合成了一种柔性自撑抓纳米多孔NiMnFeMo合金(np-NiMnFeMo)，其在高电流密度下阐扬出优异的HER和OER性能，尤其是HER活性(达到1000 mA/cm2的电流密度时，HER的过电位为290 mV，OER的过电位为570 mV)。密度泛函表面野心标明，np-NiMnFeMo如斯优异的HER活性是由于固溶体元素的协同作用。在反映历程中，Ni原子充任水的离解中心，而其它金属元素(Mn、Fe、Mo)起到了颐养电子结构和促进氢的吸附的作用。Qin Chunlin等 [26] 将Ni、Mn、Ce辨别掺杂到Co基氧化物纳米阵列中，通过水热合成法在碳纤维纸(CFP)上助长CoxM1-xO4 (M = Ni、Fe、Ce)。已矣标明，CoNiO-NWs/CFP电极阐扬出最好的OER性能，不错在1000 mA/cm2的大电流下抓续使命约130 h，而Mn和Ce的掺杂反而裁减了正本Co3O4纳米线的OER活性。他们的无间充分证实，在高电流密度下，纳米阵列电极的失活机制不同于传统的金属氧化物电极。

3.2.5. Cu基催化剂

铜元素有丰富的价态，Cu2+不错氧化为Cu3+和Cu4+，也不错归附为Cu1+和Cu单质，且在地球上储量鼓胀，是以频年来，Cu基材料在大电流析氧催化剂方面的应用也受到无间者无数的矜恤。各类非金属元素的掺入不错改变晶体结构和对原子的吸附身手，从而促进催化剂名义的反映，在大电流析氧催化剂的斥地中有伏击应用。如，硫的掺入不错促进对氧原子的吸附身手。Zhang Xian等 [27] 通过浅薄的两步法，在负载了CuNi合金的泡沫镍(CuNi/NF)上原位助长CuS-Ni3S2。通过该方法得到的阳极，只需在该电极上施加444 mV和510 mV的过电位就不错使电流密度达到500 mA/cm2和1000 mA/cm2。

3.2.6. 双金属基催化剂

双金属基析氧催化剂一般由两种金属的化合物为主要构成，并通过掺杂其他元素、调控结构等技巧进一步擢升催化剂的性能。由于金属间的协同效应，双金属基催化剂一般具有优异的OER性能。双金属基催化剂往往取舍两种非贵金属或者一种贵金属加一种非贵金属。无数无间标明，Fe和Ni之间的耦合效应是最强的，在所有非贵金属基析氧催化剂中，镍铁基析氧催化剂(包括NiFe氧化物、氢氧化物、层状双金属氧化物以及NiFe合金等)阐扬出最好的笼统性能。即使是纯Ni或Fe基的电催化剂，其催化性能也较着低于镍铁基电催化剂。这是由于结构相似的Ni、Fe原子间存在相互作用，不错调剂活性位点隔邻的电子结构，并改善析氧反映的能源学历程。Liu Peng等 [28] 借助NixFe1−x合金纳米锥阵列(存在2 nm傍边的NiO/NiFe(OH)2名义层)来改善反映物的转运。阁下优化后的合金制备的电极自大出优异的OER性能，只需施加255 mV的过电位就不错达到500 mA/cm2的大电流。

掺杂非金属元素的方法往往被无间者用来擢升催化剂性能，常见的掺杂元素有P、S、N等。另外，也有一些报谈的析氧催化剂掺杂了B、Se、Te等非金属元素，况且阐扬出优异的催化性能。非金属元素往往具有丰富的价态，不错改变催化剂的电子罗列结构和导电性，并影响催化剂的微不雅描述和构成身分。在电解水历程中，阳极材料处于强氧化性的氛围中，非金属元素会被氧化为酸根离子，促进电荷的转移和反映中间居品的形成。Zou Xu等 [29] 通过浅薄的两步法合成了Ni-Fe-OH@Ni3S2/NF电催化剂。它由非晶镍铁双金属氢氧化物薄膜涂层和泡沫镍泡沫撑抓的Ni3S2纳米片阵列构成，在1 M和30 wt%的KOH溶液中王人阐扬出至极优异的析氧催化性能。在30 wt%的KOH溶液中，Ni-Fe-OH@Ni3S2/NF只需要370 mV、469 mV和565 mV的过电位就不错驱动电流密度辨别达到500 mA/cm2、1000 mA/cm2和1500 mA/cm2。Cheng Xiaodi [30] 将Fe2O与通过热磷化反映助长Ni泡沫上，制备一种新的三维三元杂化电催化Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2/NF。由于Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2/NF之间的协同效应和它们的强耦合效应，3D Fe2O3@Ni2P/Ni(PO3)2/NF杂化物在碱性电解液中在超高电流密度下杀青了优异的电催化OER性能。催化剂在1.0 M KOH，1.57 V和1.60 V的极低电位达到500和1000 mA/cm2的超高电流密度。

3.2.7. 三金属基催化剂

革职义工程外，多金属的集成是改善催化剂性能的常用方法。引入多种金属不错颐养催化剂的电子结构。Yan Gang等 [31] 报谈了一种尖晶石型三元多金属搀和氧化物(NiO-Fe3O4@NiCo2O4)，由于在泡沫镍上助长，它还具有多孔的头绪结构。通过尖晶石型结构促进电子转移历程，分级多孔结构促进传质历程，再加上多金属的协同作用，这种材料阐扬出令东谈主愕然的电催化活性和永远使用的雄厚性，只需要250 mV的超小过电位就不错达到1000 mA/cm2的大电流密度，在1500 mA/cm2的大电流下简略保抓100 h以上。

4. 回来与瞻望

电解水制氢工夫当作一种高效的获取清洁可再生氢能的技巧，被渴望能改变现在阁下自然气重整、煤气化或甲醇制氢等传统工夫来获取氢能的近况。近几年无间者对电解水的基础表面和高效催化剂作念了更深化的无间。说七说八，贵金属材料是OER最有用的催化剂，但稀缺性和高资本很难在工业上大范围使用。在碱性的坐蓐环境中，非金属析氧催化剂更具上风，使用范围愈加往往。在擢升OER催化活性方面，主要围绕增多催化剂的固有活性点和增多理会的活性点数目。催化剂的内在活性不错通过相位工程、劣势工程和多金属工程来擢升。而通过制备非常结构，如纳米结构、核壳结构，以及在三维的基底上助长来处理催化剂不错理会更多的活性位点，擢升制氢效果。频年来，OER催化剂的无间和想象依然取得了很大的进展。但是大多数析氧催化剂仍然局限于100 mA/cm2以下的低电流密度，关于大电流析氧催化剂的无间还处在起步阶段。现在，大电流析氧催化剂的无间中存在的问题与挑战主如果以下几个方面：

1) 在高电流密度的电解水历程中，质地传递成为反映速度的决定容颜，需要快速供应电解液和逸出气体。贯穿的大电流催化历程中，电极隔邻的反映离子无数铺张，此时电子转移太慢导致反映的电子供应不及，使电流密度下落。另外高电流下阳极产生的无数气泡粘附在催化剂名义，堵塞活性位点，雷同导致电流密度下落。在这些方面，一些大电流电催化剂的传质性能莫得得到充分的怜爱，尤其是以粉末容颜存在的催化剂。

2) 电解水的反映是触及气相(反映居品)、液相(电解液)、固相(电极、催化剂等)三相的历程。超疏氧或超亲水三维多孔结构在促进气体的快速逸出方面很有远景，但若何想象和调控阵列微不雅结构以获取优异的超疏氧/超亲水性能，还有待进一步无间。

3) 要想象出最好的构成与结构描述的析氧催化剂，必须更明晰的了解每种身分的作用与其旨趣，显然通盘催化历程中起决定作用的因素。而现在包括Fe在内，一些元素掺杂的机理以及许多析氧催化剂在使用时的中间居品吸附机理还莫得得到具体明确的证实注解。

4) 雄厚性是抛弃碱性电解水工业化发展的要津因素。在万古候的大电流析氧反映历程中，催化剂容易窜改为其他的活性物资并融化在电解质中，慢慢从电极名义零碎，或者由于气体不休快速逸出使阳极名义活性物资零碎，变成性能的下落。而且在骨子的工业坐蓐中，溶液的pH、催化剂名义的氧化等可能并不行像在执行室中那样精准适度，而使催化剂不行如预期的那样雄厚。因此，若何擢升析氧催化剂在大电流下的雄厚性仍然需要不休的无间。是以，优异的大电流析氧催化剂的斥地关于电解水制氢工夫在大范围工业产氢中的应用有伏击的真谛。

现在商用的贵金属基析氧催化剂由于奋斗的价钱和工业电解要求下的不雄厚性，正在慢慢被一些优异非贵金属基析氧催化剂取代。非贵金属基析氧催化剂的研发念念路依然从原先的金属边界，到非金属边界，甚而到了团聚物边界，通过中间居品吸附效应、晶格氧介导效应、多金属的协同效应等，依然有非贵金属基催化剂阐扬出比单金属铂族催化剂更优异的催化活性和雄厚性。关联词，诚然现在在析氧催化剂的无间方面依然取得一定的进展，新的优异催化剂的关联报谈也不休出现，但大电流析氧催化剂的研发回存在瓶颈，距离真实杀青工业化的使用还有较长的距离。现时关于大电流析氧催化剂的想象莫得讨论固体电极和液体电解质之间的浸润性，且催化剂的活性面积还有待擢升。

针对这些方面和上述提到的大电流析氧催化剂无间中存在的问题，改日关于大电流析氧催化剂的无间使命包括以下几个场地：1) 阁下惰性的团聚物基底，改善现在析氧催化剂普遍存在的雄厚性问题。另外，团聚物基团的各类性不错赋予通盘析氧阳极愈加优异的性能，比如，亲水基团对杀青阳极材料的超浸润性有伏击作用。2) 增大催化活性面积，不只是是从负载催化剂粒子的尺寸、均匀性方面，还有通过3D打印等关联工夫，从基底载体到催化剂举座想象，构筑通盘阳极的结构。3) 模拟工业坐蓐中的要求(如大电流、高温、高浓度电解液等)，拼装电解池，使析氧催化剂的性能测试已矣愈加接近骨子应用中的阐扬。4) 聚首表面野心和各类先进的表征技巧，分析各类组分、结构对催化剂的影响的机理，进而归纳出对催化剂性能擢升最有劲的一些因素和要求，为改日新式先进的析氧催化剂的制备和优化提供表面和执行依据。一言以蔽之，高效、雄厚的大电流析氧催化剂的研发是杀青电化学工夫在能源边界取得松懈的要津，也将会在其他多个边界施展伏击作用。

著述援用

郭彭辉，周熠辉，张 淋，王艳青. 碱性大电流电解水析氧催化剂的无间进展 Research Progress of Oxygen Evolution Catalyst for Alkaline Electrolysis of Water with High Current[J]. 纳米工夫， 2022， 12(03): 105-114. https://doi.org/10.12677/NAT.2022.123013

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