类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）化学工程系的Khaja Wahab Ahmed、Saeed Habibpour、Zhongwei Chen和Michael Fowler合作完成，成果发表于Journal of Energy Storage第79卷（2024年），文章标题为“Investigation of NiCoOx Catalysts for Anion Exchange Membrane Water Electrolysis: Performance, Durability, and Efficiency Analysis”。

学术背景
随着全球对化石燃料依赖的减少需求及对清洁能源的追求，氢能被视为未来能源转型的关键。质子交换膜（PEM, Proton Exchange Membrane）电解水制氢技术虽高效，但其依赖贵金属催化剂（如铱、铂）和酸性环境下的钛材料，导致成本居高不下。阴离子交换膜（AEM, Anion Exchange Membrane）电解水技术因能在碱性环境下使用非贵金属氧化物催化剂而成为更具成本效益的替代方案。然而，AEM电解槽的电流密度和能量效率较低，主要受限于氧析出反应（OER, Oxygen Evolution Reaction）催化剂的高过电位。因此，开发高效、稳定且低成本的OER催化剂是提升AEM电解槽性能的核心问题。

本研究聚焦镍钴氧化物（NiCoOx）催化剂，通过调控Ni/Co比例优化其催化活性与稳定性，并系统评估其在AEM电解水中的性能。研究目标包括：（1）合成不同Ni/Co比例的NiCoOx催化剂；（2）通过结构表征和电化学测试分析其OER活性；（3）在单电池电解槽中验证其实际应用潜力；（4）结合电化学阻抗谱（EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy）分析电解槽的阻抗特性。

研究流程
1. 催化剂合成
- 采用共沉淀法合成NiCoOx催化剂，以Ni(NO₃)₂·6H₂O和Co(NO₃)₂·6H₂O为前驱体，调控Ni/Co比例（1:1、1:2、1:3、1:5、2:1），同时合成纯Co₃O₄作为对照。
- 通过离心、洗涤、干燥及300℃煅烧获得氧化物形式的催化剂。

1. 三电极系统测试

   • 将催化剂涂覆于泡沫镍（Nickel Foam）气体扩散层（GDL, Gas Diffusion Layer），负载量为5 mg/cm²。
     
   • 在1 M KOH电解液中，采用线性扫描伏安法（LSV, Linear Sweep Voltammetry）测定OER活性，扫描速率5 mV/s，并进行85% IR校正。
     
   • 通过塔菲尔斜率（Tafel Slope）分析反应动力学，计时安培法（Chronoamperometry）评估短期（10 h）和长期（500 h）稳定性。
     

2. 单电池电解槽测试

   • 阳极采用NiCoOx催化剂（负载量25 mg/cm²），阴极采用商用Pt/C催化剂，以Sustainion® X-37-50 T阴离子交换膜（厚度50 μm）构建膜电极组件（MEA, Membrane Electrode Assembly）。
     
   • 在1 M KOH电解液中，测试温度范围45–70℃，通过LSV和EIS分析性能，并记录Nyquist图谱及等效电路拟合参数。
     

3. 表征与数据分析

   • 形貌与结构：扫描电子显微镜（SEM）显示NiCoOx（1:3）呈片状结构，X射线衍射（XRD）证实其尖晶石（Spinel）晶型（NiCo₂O₄）。
     
   • 电化学性能：NiCoOx（1:3）在1.8 V下电流密度达238 mA/cm²，塔菲尔斜率最低（79 mV/dec），表明其优异的OER动力学。
     
   • 阻抗分析：等效电路拟合显示NiCoOx（1:3）的活化电阻（0.124 Ω）最低，且温度升高可降低欧姆电阻和膜电阻。
     

主要结果
1. 催化活性
- NiCoOx（1:3）在三电极系统中表现最佳，其电流密度（238 mA/cm² @1.8 V）和塔菲尔斜率（79 mV/dec）均优于其他比例催化剂。
- 单电池测试中，70℃时NiCoOx（1:3）在2.2 V下电流密度达1700 mA/cm²，远超同类研究报道值（如NiFe₂O₄的1.5 A/cm² @60℃）。

1. 稳定性

   • 500 h长期测试中，NiCoOx（1:3）电压仅增加0.11 mV/h，降解率极低（0.68 mV/h @250 mA/cm²，30 h）。
     

2. 机制分析

   • Ni³⁺/Ni²⁺和Co³⁺/Co²⁺的混合价态提供了丰富的氧化还原活性位点，而Ni掺杂增强了Co₃O₄的导电性和催化活性。
     

结论与价值
本研究证实NiCoOx（1:3）是一种高效、稳定的AEM电解水阳极催化剂，其科学价值在于：（1）揭示了Ni/Co比例对尖晶石结构及OER活性的调控规律；（2）通过EIS和等效电路分析明确了温度对电解槽阻抗的影响机制。应用价值体现在：（1）为非贵金属催化剂设计提供了新思路；（2）为低成本、规模化制氢技术开发奠定了基础。

研究亮点
1. 创新性方法：结合共沉淀法与高温煅烧，可控合成多比例NiCoOx催化剂。
2. 性能突破：NiCoOx（1:3）在电流密度和稳定性上显著优于文献报道的同类催化剂。
3. 系统分析：首次通过EIS揭示了AEM电解槽中温度依赖性阻抗变化规律。

其他价值
研究还探讨了阴离子交换膜（如Sustainion® X-37-50 T）的碱性稳定性对电解槽耐久性的影响，为后续膜材料优化提供了参考。