用于阴离子交换膜水电解中氧气析出反应的电沉积NiFe-琥珀酸盐

《Fuel》：Electrodeposited NiFe-succinate for the oxygen evolution reaction in anion exchange membrane water electrolysis

绿氢制备中基于镍铁合金的氧析出反应催化剂通过有机配体介导的电极沉积法制备，形成纳米片结构提升活性表面积。研究显示NiFe2O4相在碱性条件下具有优异催化活性（过电位η10=306 mV），经100小时稳定性测试后仍保持稳定结构，并成功应用于碱性水电解槽（AEMWE）中，在60℃时电流密度达1.86 A/cm2。密度泛函理论（DFT）模拟证实FeO（001）表面为最稳定活性位点，反应路径中羟基氧化步骤（ΔG=0.53 eV）为速率控制环节。

　　绿色氢气作为可再生能源制氢的重要方式，近年来受到了广泛关注。随着全球对清洁能源需求的增加以及对二氧化碳排放控制的重视，开发高效且经济的氢气储存与转化技术成为研究的重点。目前，水电解制氢技术在绿色能源生产中扮演着关键角色，特别是碱性水电解（AWE）和质子交换膜水电解（PEMWE）等。然而，这些技术仍然存在一些挑战，例如高欧姆损耗和气体混合等问题，限制了其在大规模应用中的潜力。因此，研究新的催化剂材料成为提高水电解效率的关键。

本文的研究重点在于开发一种基于镍（Ni）和铁（Fe）的新型催化剂，并结合有机连接体（如琥珀酸）来优化其催化性能和稳定性。该催化剂通过阴极电沉积法在304不锈钢网（SS mesh）基底上合成，这一方法避免了复杂的合成过程，同时减少了对昂贵和有毒前驱体的依赖。电沉积过程不仅能够形成均匀的涂层，还具有良好的可扩展性，为工业化应用提供了可能。

通过扫描电子显微镜（SEM）分析催化剂的表面形貌，研究人员发现，NiFe基催化剂呈现出丰富的纳米片结构，这显著增加了其电化学活性表面积。同时，X射线光电子能谱（XPS）和红外光谱（FTIR）等手段用于研究催化剂的化学组成和结构特性。结果表明，NiFe基催化剂不仅在表面形貌上具有优势，其化学组成也显示出较高的Ni和Fe含量，以及显著的有机连接体结合，这可能有助于提升其催化活性。

实验结果表明，NiFe基催化剂在氧气析出反应（OER）中表现出优异的性能。与仅含Fe或仅含Ni的催化剂相比，NiFe基催化剂的起始过电位（η_onset）更低，达到了240 mV，比Fe基催化剂降低了80 mV。此外，其在10 mA/cm²电流密度下的过电位为306 mV，优于其他基于铂族金属（PGM）的催化剂。这些结果表明，NiFe基催化剂具有良好的催化活性和较低的能耗，有助于降低绿色氢气的生产成本。

在电化学性能方面，研究人员还评估了不同温度对催化剂性能的影响。结果表明，随着温度的升高，催化剂的性能显著提升。例如，在60°C下，电流密度达到了1.86 A/cm²，而起始电压则有所降低。这种温度依赖性可能与催化剂表面的氧化和离子传输效率的提高有关。此外，研究还发现，温度的升高可以减少电荷转移电阻（R_CT），进一步提升催化效率。

为了进一步验证催化剂的稳定性，研究人员进行了长达100小时的恒电流测试，结果表明NiFe基催化剂在恶劣的氧化条件下表现出良好的耐久性。其过电位保持稳定，显示出优异的长期性能。此外，在AEM电解器中进行的测试也表明，该催化剂能够有效提升系统的整体性能，特别是在高温条件下，其表现优于其他PGM-free催化剂。

在计算方面，研究人员采用密度泛函理论（DFT）方法模拟了OER的反应机制，并对催化剂的表面特性进行了深入分析。模拟结果表明，FeO-（001）表面比NiO-（001）表面更稳定，且其反应路径与实验结果高度一致。这表明，FeO-（001）可能是OER发生的主要活性位点。同时，通过计算模型，研究人员还预测了催化剂的过电位与电流密度之间的关系，并验证了其与实验数据的吻合度。

综合来看，本文的研究为开发高效的绿色氢气生产催化剂提供了新的思路。通过结合Ni和Fe，并引入有机连接体，研究人员成功制备了一种具有高催化活性和良好稳定性的新型催化剂。该催化剂不仅在电化学性能上表现出色，还能够在实际的AEM电解器中实现良好的运行效果。此外，该研究还强调了温度对催化剂性能的影响，为优化水电解工艺提供了理论支持。这些成果对于推动绿色氢气的大规模生产和应用具有重要意义。