天津大学：质子交换膜水电解槽(PEMWE)析氧反应机理、催化剂及膜电极器件开发进展

颗粒在线讯：研 究 背 景

析氧反应（OER）在水分解，CO2还原和可再生电燃料电池等各种电化学系统的阳极反应中起着关键作用。质子交换膜水电解槽（PEMWE）技术由于运行电流密度更大, 产生氢气纯度更高, 可利用间歇性可再生能源等优势吸引了广泛的研究及应用. OER动力学迟缓、贵金属电极材料的有限选择和催化剂在强氧化强酸性介质中的降解, 以及PEMWE各组件选择是PEMWE技术广泛应用的主要瓶颈。

因此, 从根本上了解反应机理，催化剂失活原因, 全面总结OER催化剂以及目前在PEMWE实际应用的现状对于开发具有更好性能, 更低成本PEMWE阳极催化剂, 推动相关电化学系统的商业化长期稳定性具有重要意义。

文 章 简 介

基于此，来自天津大学的天津大学邹吉军、黄振峰、潘伦课题组，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Advances in Oxygen Evolution Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”的综述文章。

综述首先深入分析了包括吸附氧化机理(AEM)和晶格氧反应机理(LOM)在内的析氧反应机理, 由机理的理解开发创新材料和阐明催化剂降解的起源。第二部分从强调构效关系角度综述了酸性介质中析氧电催化剂在的研究进展, 第三部分重点介绍目前PEMWE各个组件的发展和实际应用现状, 并且重点讨论了未来有工业化前景的催化剂,最后，概述了PEMWE发展尤其是酸性介质中析氧反应在实际应用和基础理论研究面临的挑战, 并提出独到见解以启发未来研究。

图1. 电解水理论和应用的重大发展时间线。

本 文 要 点

要点一：酸性介质中OER反应机理-催化剂失活机理的理解

吸附氧化机理(AEM)和晶格氧反应机理(LOM)是在酸性介质中被认为最合理的两种机理。催化剂通过哪一机理发生催化反应, 选择单位点还是双位点途径和材料本身的电子结构有着密切关系, 结晶度好的氧化物几乎没有缺陷，倾向于采用AEM，在单个活性金属位点上通过*OOH中间体，即所谓的酸碱途径，或者在两个相邻的金属位点上，通过*O中间体，即O-O直接耦合途径.而在具有丰富氧空位的无定形金属氧化物和一些具有高金属氧共价的钙钛矿中，晶格氧机理发生在遭受水亲核攻击的单个活性氧位点或通过两个相邻反应晶格氧原子的直接耦合，产生的氧空位将被水分子或大量氧原子补充，同时由此产生的不饱和金属位点更容易溶解, 带来催化剂稳定性问题。

要点二：酸性OER催化剂进展

在酸性介质中贵金属Ru 和 Ir 基催化剂具有优异的活性和可应用性, 优于其他铂族金属（如 Rh、Pd 和 Pt）. 尽可能多地暴露活性位点，提高本征活性，以尽量减少贵金属消耗, 同时兼顾长期运行的稳定性是催化剂设计必须面临的问题。对于负载催化剂，金属-载体相互作用和基底的导电性至关重要。

本节讨论酸性OER材料发展，并强调从机理分析性能提高. 对金属性质(合金, 单原子等)催化剂, 氧化物(钌/铱氧化物, 非贵金属氧化物), 金属氧酸盐类(钙钛矿, 烧绿石, 其它氧酸盐类), 其它无机金属和非金属材料进行全面综述。

要点三：PEMWE应用现状

PEMWE的组装方法, 实际运行条件, 包括离聚物, 膜, 气体扩散层, 极板, 催化剂层在内的各个组分都是影响PEMWE性能的关键参数. 对各个组分的发展和应用现状进行综述, 同时对有实际应用前景的催化剂进行分析, 包括负载型催化剂, 铱/钌为主体的掺杂型催化剂。

要点四：总结和前瞻

借助创新实验方法和先进表征技术发展在揭示酸介质中动态OER的复杂性和开发高效稳定的电催化剂方面取得了重要成就。但所开发的催化剂及相关器件的性能与工业应用之间仍存在一定的差距。

为了加快PEMWE的发展，深入理解电极反应的动态过程, 理论计算和实验的结合,对具有实际应用前景的催化剂的进一步发展, 催化剂性能的评价准则, 对实验室基础研究中水系模型和实际操作差异的理解, 集成膜电极组件的开发需要更多的研究。

文 章 链 接

Advances in Oxygen Evolution Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202103670