《AEM》综述：质子/阴离子交换膜水电解长期运行的纳米催化剂

由于使用化石燃料、对可再生能源的需求不断增长，环境问题不断升级，这刺激了可持续清洁能源技术的发展。其中，连续大规模生产氢对于氢能源经济的成功至关重要。基于膜的水电解（WE）系统，例如质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM）WE，由于其紧凑且可持续的制氢过程而成为非常有吸引力的技术。这些WE系统需要高活性和稳定的催化剂，以实现长期的性能稳定性，从而满足商业化的经济要求。然而，当前的研究主要集中在改善电解器的阴极上的氢逸出反应（HER）和阳极上的氧逸出反应（OER）的电极活性上，这为保持催化剂长期的性能提出了更大的挑战。

为了将研究重点转移到催化剂稳定性问题上，韩国高丽大学Kwangyeol Lee，庆北大学Sang-Il Choi综述了在阴极和阳极反应（HER和OER）中实现催化剂稳定电化学（EC）性能的策略。综述描述了基于催化剂溶解和团聚的HER / OER催化剂降解机理，并总结了在长期水电解操作中获得稳定催化剂的代表性催化剂设计。另外，评估了改善HER / OER稳定性的各种策略，并提出了设计稳定催化剂的潜在有效指南。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202003188

本文总结了影响催化剂的理化稳定性以实现稳定的长期WE性能的关键参数和设计策略。团聚、脱离和溶解是在所有反应条件下催化剂失活的主要因素。催化剂的团聚和分离通常与催化剂和载体材料的相互作用（或载体材料腐蚀）有关，而催化剂的溶解与催化剂材料的物理和化学性质有关。

为了解决这些问题，采用了掺杂和合金化（用于溶解）、保护层（用于溶解和团聚）和双功能异质结构（用于团聚）的设计策略，从而影响了材料相、表面晶体结构和催化剂形态。对于HER，掺杂和合金化的催化剂具有更高的稳定性和<200 mV的低过电位。对于OER，在酸性和碱性电解质之间观察到在性能稳定性方面的显着差异。如本综述中所讨论的，已经开发了获得稳定的WE催化剂的多种策略。但是，在酸性和碱性介质中有效的长期WE催化剂的设计仍面临许多挑战。

图1.a）膜电解槽的示意图。  HER和OER在b）酸性和c）碱性溶液中的一般反应途径。

图2. a）对于各种催化剂，交换电流密度（i0）作为DFT计算的哈德的吉布斯自由能Had（ΔGH）的函数的火山形图。   b）暴露Mo / W边缘，S边缘和Co促进的S边缘的MoS2 / WS2颗粒，具有相应的ΔGH值。

图3.金红石RuO2（110）表面的示意图

图4.a）建议的碳载体上催化剂的降解机理，b）在水分解反应的潜在范围内各种元素的Pourbaix图。彩色圆圈表示每种反应条件下的材料失活因子，并描述了催化剂中使用的主要元素的相应形式。

图5.a）在HER中，a）0.1 m H2SO4和b）0.05 mNaOH中Ru和Ir的溶解量。c）Pt分布在降解的阴极上，以及与膜相邻的阴极区域的STEM和元素映射图像。d）与电解质接触的金属（红色）和启停循环中的金属溶解（黑色）。  e）针对所有材料在开路电势下计算的HER溶解速率，以及在0.5 mA cm-2下在H2饱和HClO4中测得的相对于RHE的电势。

图6.a）在OER稳定性测试之前和之后，阳极/膜界面处未降解阳极和降解阳极的元素映射图的比较。b）OER期间贵金属的溶解度与Tafel斜率之间的相关性。c）通过热化学（TC）和电化学（EC）方法制备的贵金属氧化物形式的活性和稳定性以及相应的示意性氧化物结构的具有溶解途径的简化OER机制的示意图。d）没有晶格氧参与的结晶IrO2的经典机理。e）建议的机制为无定形IrOx和钙钛矿浸出，其中有活化的晶格氧参与。