本研究由来自塞尔维亚贝尔格莱德大学多学科研究所的B.M. Jovič、U.Č. Lačnjevac等团队，以及斯洛文尼亚约瑟夫·斯特凡研究所表面工程与光电子学系等多个机构合作完成，发表于2016年《International Journal of Hydrogen Energy》第41卷（20502-20514页）。研究聚焦碱性水电解（alkaline water electrolysis, AWE）中氧析出反应（oxygen evolution reaction, OER）的电催化剂开发，提出了一种新型镍基复合涂层材料——Ni-(Ebonex/Ir)复合镀层。
学术背景
碱性水电解制氢技术因其可使用非贵金属催化剂而备受关注，但阳极OER反应动力学缓慢且镍基催化剂易失活的问题制约其发展。传统镍电极在长期OER过程中会形成导电性差的γ-NiOOH相，导致过电位急剧上升。本研究基于IrO₂在酸性介质中的高催化稳定性，创新性地将Ebonex（钛亚氧化物Ti₄O₇载体）负载的Ir纳米颗粒嵌入镍基质，旨在开发兼具高活性与稳定性的复合催化剂。研究目标包括：（1）阐明复合涂层的微观结构与电化学性能关系；（2）揭示Ir组分对抑制γ-NiOOH形成的机制；（3）评估其在1 M NaOH中的实际应用潜力。
研究方法与流程
1. 材料制备
- Ebonex/Ir粉末合成：通过浸渍法将IrCl₃·H₂O沉积于5 μm Ebonex颗粒，理论Ir负载量为30 wt%。
- 复合镀层电沉积：在Watts镀镍液中悬浮不同浓度Ebonex/Ir颗粒（0–2 g/dm³），以-25 mA/cm²恒电流沉积于Ni 40目基底。共制备5组样品，包括纯Ni及不同Ir含量的复合涂层。
2. 表征技术
- 形貌与成分分析：SEM观察涂层多孔结构；EDS测定元素分布；XRD确认晶相（主相为Ni，Ir峰微弱）；XPS揭示表面Ir化学态（表层Ir呈+4价，亚表层为金属态）。
- 电化学测试：
- 极化曲线：0–0.7 V vs. SCE扫描（1 mV/s），分析Tafel斜率及过电位η₁₀（10 mA/cm²下的过电位）。
- 电化学阻抗谱（EIS）：10 kHz–0.1 Hz频率范围，采用2CPE模型拟合孔隙电阻（Rₚₒᵣ）与电荷转移电阻（Rcₜ）。
- 循环伏安（CV）：监控Ni(II)/Ni(III)氧化还原电荷变化，评估活性相演变。
3. 稳定性测试
- 恒电流OER：50 mA/cm²持续24小时，对比纯Ni与最优复合涂层（样品5）的电位漂移。
- 加速老化实验：300 mA/cm²极化60分钟，结合XPS分析表面相组成变化。
主要结果
微观结构调控：随Ebonex/Ir浓度增加，涂层从致密晶体（纯Ni）转变为多孔结构（样品5），粗糙因子（roughness factor）达40.6（相对纯Ni）。XPS证实IrO₂的存在抑制了γ-NiOOH生成。
电催化性能：
- Tafel行为：所有样品在低电流区呈现~60 mV/dec斜率，符合电化学氧化物路径（electrochemical oxide path）的速率控制步骤（表面OH*扩散）；高Ir含量样品（4、5）在全电流范围保持60 mV/dec，而纯Ni在高电流区斜率升至136 mV/dec。
- 活性比较：样品5的η₁₀为367 mV，接近文献报道的Ir基催化剂最佳值（312 mV），但其Ir负载量仅1.4 at%（0.37 mg/cm²）。
稳定性机制：
- 纯Ni在24小时OER后过电位增加395 mV，而样品5仅增加22 mV。CV显示复合涂层的Ni(OH)₂/NiOOH氧化还原电荷增幅（65%）显著低于纯Ni（130%），证实IrO₂通过氧溢出效应（oxygen spillover）阻断了γ-NiOOH形成。
结论与价值
本研究通过低成本电沉积法构建了高分散Ni-(Ebonex/Ir)复合阳极，其OER活性提升源于孔隙结构增大的有效表面积，而稳定性归因于IrO₂对活性β-NiOOH相的稳定作用。科学价值在于揭示了贵金属-载体协同机制，应用价值体现在为碱性电解槽提供了可规模化生产的低Ir含量催化剂方案。
研究亮点
- 创新材料设计：首次将Ebonex/Ir纳入镍基复合镀层，实现Ir原子级高效利用。
- 机理突破：通过原位电化学-XPS关联分析，阐明IrO₂抑制γ-NiOOH的电子转移机制。
- 工艺优势：电沉积工艺兼容现有工业生产线，涂层在200 mA/cm²下经60分钟老化仅损失57 mV性能。
其他发现
EIS分析揭示复合涂层的孔隙电阻（Rₚₒᵣ）随电位升高而下降，表明气泡脱附效率优化，这为后续电极结构设计提供了新参数。