碱性阴离子交换膜电解槽中NiFeCoOx催化剂的性能评估与耐久性分析学术报告
作者及发表信息
本研究由加拿大滑铁卢大学化学工程系的Khaja Wahab Ahmed和Michael Fowler共同完成，论文题为《Performance evaluation and durability analysis of NiFeCoOx catalysts for alkaline water electrolysis in anion exchange membrane electrolyzers》，发表于2024年5月14日的期刊《Catalysts》（DOI: 10.3390/catal14050322）。
学术背景
全球变暖与化石燃料依赖问题推动可再生能源技术发展，氢能作为零碳排放能源备受关注。质子交换膜（PEM）电解槽虽高效，但依赖昂贵的铱（IrO₂）和铂（Pt）催化剂。阴离子交换膜（AEM）电解槽因可使用非贵金属催化剂（如镍、钴、铁基氧化物）且能在低碱浓度下运行，成为更具成本效益的替代方案。本研究聚焦于氧析出反应（OER, oxygen evolution reaction）催化剂的设计，旨在通过调控NiFeCoOx三元金属氧化物中Fe含量，优化其催化活性与耐久性，以提升AEM电解槽的性能。
研究流程与方法
1. 催化剂合成与表征
- 合成方法：采用共沉淀法，以硝酸镍（Ni）、硝酸钴（Co）和硝酸铁（Fe）为前驱体，Ni:Co摩尔比固定为2:1，Fe含量梯度设置为2.5%~12.5 wt%。沉淀物经洗涤、干燥后，在300°C下煅烧5小时形成金属氧化物（NiFeCoOx）。对照组NiFeCo(OH)x（羟基形式）通过室温干燥制备。
- 表征技术：
- 扫描电子显微镜（SEM）：观察催化剂在镍泡沫上的形貌与分布，确认涂层均匀性（厚度约790 μm）。
- X射线衍射（XRD）：证实NiFeCoOx主要形成NiCo₂O₄尖晶石结构（主峰2θ=36.8°），Fe含量低时未检测到Fe₂O₃或NiFe₂O₄相。
- 能量色散X射线光谱（EDS）：验证Fe的实际负载量与设计值一致（如5 wt% Fe催化剂中Fe占比准确）。
2. 三电极体系测试
- 线性扫描伏安法（LSV）：在1M KOH中测试OER活性，5% Fe的NiFeCoOx表现出最低过电位（228 mV@10 mA/cm²），活性顺序为5% > 7.5% > 2.5% > 10% > 12.5% Fe。
- 塔菲尔斜率分析：5% Fe催化剂斜率最低（~45 mV/dec），表明其反应动力学最优。
- 长期稳定性测试：在50 mA/cm²下持续100小时，电压仅上升0.49 mV/h，证明催化稳定性。
- 双电层电容（Cdl）：通过循环伏安法（CV）计算电化学活性面积（ECSA），5% Fe催化剂的ECSA为127.5 cm²，与其高活性一致。
3. 单电池AEM电解槽测试
- 性能评估：在45~70°C下测试，5% Fe催化剂在2.1 V时电流密度最高（1620 mA/cm²@70°C），比羟基形式NiFeCo(OH)x高3倍。
- 电化学阻抗谱（EIS）：Nyquist图显示5% Fe催化剂的欧姆电阻（Rohm=0.064 Ω）和活化电阻（Ract=0.074 Ω）最低，表明其电荷转移效率更优。
- 耐久性测试：在800 mA/cm²下运行8小时，电压仅上升2.3 mV/h，电池效率达70.5%，法拉第效率87%。
主要结果与逻辑关联
- Fe含量的优化效应：5% Fe的NiFeCoOx因形成NiCo₂O₄尖晶石结构且Fe掺杂增强了Ni²⁺稳定性，降低了OER过电位。过量Fe（>7.5%）会导致导电性下降和FeOxHy相分离，活性降低。
- 温度与电压的影响：升温（45→70°C）和升压（1.7→2 V）均能降低活化能（最低-12.4 kJ/mol@2.2 V），提高反应速率。
- 羟基与氧化物对比：NiFeCoOx的导电性和稳定性显著优于NiFeCo(OH)x，归因于煅烧后形成的金属氧化物结构减少了氧空位对电子传输的阻碍。
结论与价值
本研究通过精确调控NiFeCoOx中Fe含量，开发出高性能OER催化剂，其科学价值在于：
1. 机制阐明：揭示了Fe在Ni-Co体系中的协同作用，即通过稳定Ni²⁺价态和优化中间体吸附能提升OER活性。
2. 应用潜力：5% Fe的NiFeCoOx在AEM电解槽中实现了高电流密度（1880 mA/cm²@2.2 V）和长时稳定性，为低成本制氢技术提供了可行方案。
研究亮点
- 创新催化剂设计：首次系统研究Fe含量对NiFeCoOx三元催化剂的影响，确定5% Fe为最优配比。
- 方法学贡献：结合EIS与等效电路拟合，量化了不同Fe含量对电阻分量的影响。
- 实际应用验证：在单电池测试中实现了接近工业级电流密度（>1.5 A/cm²）和70%以上的能效。
其他价值
研究还对比了商业AEM膜（X-37-50 T）的耐久性，证实其在高温高电流密度下的稳定性，为后续电解槽设计提供了膜材料选择依据。
（报告总字数：约1800字）