这篇文档出自《Chem. Soc. Rev.》2024年第53卷，是一篇题为《Stability of Electrocatalytic OER: From Principle to Application》的综述论文。作者包括Huangjingwei Li、Yu Lin、Junyuan Duan、Qunlei Wen、Youwen Liu和Tianyou Zhai，来自华中科技大学材料科学与工程学院及武汉工程大学材料科学与工程学院。论文系统总结了电催化析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）稳定性的设计原则、失效机制及优化策略，并展望了未来研究方向。以下是核心内容梳理：
一、研究背景与意义
OER是电解水制氢（一种利用太阳能、风能等可再生能源生产清洁能源的关键技术）的阳极反应，其缓慢动力学和高过电位严重制约能源转换效率。尽管目前铱基催化剂（如IrO₂）是工业标准，但其高成本和稀缺性促使研究者开发非贵金属或低贵金属催化剂（如镍铁层状双氢氧化物、钙钛矿材料等）。然而，OER过程中强氧化性和腐蚀性环境会导致催化剂失活（如形貌/相变、溶解、机械剥离）及器件组件（如双极板、气体扩散层、膜）降解。因此，理解OER稳定性失效机制并设计长效催化剂成为推动电解水技术大规模应用的核心挑战。
二、稳定性设计原则
热力学分析：
- 通过Pourbaix图（电势-pH图）预测材料在特定电化学环境下的稳定性。例如，钴在酸性OER条件下易溶解为Co²⁺，而Co₃O₄在高电位区更稳定。利用Materials Project数据库筛选出Si、Ti、Mn等元素在高压下能形成稳定氧化物。
反应机理关联：
- 吸附质演化机制（AEM, Adsorbate Evolution Mechanism）：水分子通过活性位点（M）逐步脱氢生成O₂，中间体（*OH、*O、*OOH）吸附强度影响稳定性。
- 晶格氧机制（LOM, Lattice Oxygen Mechanism）：晶格氧参与反应易导致结构坍塌，但可通过掺杂或保护层抑制氧空位形成。
- 氧化路径机制（OPM, Oxidation Path Mechanism）：直接O-O偶联路径兼顾高活性和稳定性，但需精准设计双金属位点几何构型。
三、稳定性失效机制
催化剂失效：
- 形貌/相变：如CoFeAl₂O₄表面重构为羟基氧化物，镍铁氢氧化物（NiFe-LDH）相分离。
- 电化学溶解：RuO₂在酸性环境下氧化为可溶性RuO₄；动态溶解-再沉积平衡（如Fe掺杂CoOOH中Fe³⁺的溶解与再沉积）可延长催化剂寿命。
- 机械剥离：气泡逸出或碳载体腐蚀导致催化剂脱落。
器件失效：
- 化学降解：电解质腐蚀膜电极（如质子交换膜PEM的磺酸基团流失）。
- 机械降解：双极板（Bipolar Plate）压应力导致气体扩散层（GDL, Gas Diffusion Layer）孔隙率下降。
- 操作条件：高温加速催化剂溶解（如NiOₓ在60°C时稳定性显著降低）。
四、稳定性提升策略
结构调控：
- 电子结构优化：通过应变调控d带中心（如Ta/Tm掺杂IrO₂中晶界应变调节Ir-O键长）。
- 增强键能：La/Mn掺杂Co₃O₄提升Co-O键强度，在0.1 M HClO₄中稳定运行360小时。
- 引入再沉积位点：如Fe在MoOₓ载体上的动态平衡（Markovic课题组提出）。
保护层设计：
- 无机层：CeOₓ包覆抑制Fe溶出（NiFeOₓ@CeOₓ在1 M KOH中稳定96小时）。
- 有机分子层：硫酸根锚定的芳香环“分子栅栏”（NiFe-S-TCNQ稳定运行2200小时）。
稳定基底锚定：
- 碳基载体（如氮掺杂石墨烯）或合金基底（如W-Ir-B）通过强界面耦合抑制活性组分溶解。RuO₂/CoOₓ界面使RuO₂在Pourbaix不稳定区仍保持稳定。
五、未来挑战与展望
- 多机理协同调控：需明确AEM/LOM/OPM主导条件，平衡活性与稳定性。
- 原位表征技术：发展高时空分辨的operando技术（如原位拉曼、XAS）追踪催化剂动态演变。
- 器件集成优化：开发耐腐蚀双极板涂层（如TiN）和高机械强度膜材料。
六、论文价值
该综述为OER稳定性研究提供了系统框架：
- 科学价值：揭示了稳定性与反应机理、材料电子结构的关联规律。
- 应用价值：指导设计低成本、长寿命电解水器件，助力氢能产业化（如美国能源部目标：2036年电解槽寿命达8万小时）。
亮点：首次全面归纳催化剂-器件跨尺度失效机制，并提出“动态稳定位点”“分子栅栏”等创新策略，为后续研究指明方向。