溶剂和分散方法对提高基于水凝胶的导电电极在氧 evolution 反应中性能的影响

《International Journal of Hydrogen Energy》：Effect of solvent and dispersion method on enhancing the performance of hydrogel-based conductive electrodes for oxygen evolution reactions

导电水凝胶基电极通过优化溶剂选择（水、水-乙醇、PEDOT:PSS溶液）和分散方法（磁搅拌、超声）显著提升氧析出反应（OER）性能。研究证实PEDOT:PSS溶液结合超声处理可形成均匀的催化剂（MnCo2O4）与导电碳黑（cCB）复合结构，使过电位降至396 mV（10 mA/cm2），双电层电容达34.2 mF/cm2，电荷转移电阻降低。微观结构分析表明，溶剂选择影响孔隙率和聚合物网络致密度，而超声处理有效抑制催化剂团聚。电化学阻抗谱显示PEDOT:PSS基材料因内置导电网络表现出最低阻抗。该工作为开发高效可调控的导电水凝胶电催化剂提供了新策略。

　　本研究聚焦于一种新型的导电水凝胶电极设计方法，旨在通过溶剂选择和分散技术优化氧析出反应（OER）的电化学性能。水凝胶因其能够将催化粒子集成到导电网络中的特性，在电化学能量转换领域展现出巨大潜力。通过引入不同的溶剂体系和分散方法，研究人员探索了对水凝胶电极性能的潜在影响。结果表明，采用PEDOT:PSS作为溶剂并结合超声分散技术，能够实现催化剂与导电材料的更均匀分布，从而显著提升电导率和催化活性。

### 1. 水凝胶的特性与应用潜力

水凝胶是一类具有三维结构的亲水性聚合物网络系统，它们能够吸收并保持大量的水分，同时具备良好的机械性能、离子导电性和电化学活性。这种结构使其在多种应用领域中具有广泛的适用性，包括药物输送、农业、分离技术以及生物医学和制药领域。由于水凝胶的结构特性，其在电化学能量转换系统中也表现出了独特的潜力，特别是在需要高比表面积、可控的离子扩散以及高效的电荷传输的应用场景中。此外，水凝胶的多孔结构使其成为优良的催化剂载体，能够有效吸附和捕获催化离子，从而提高反应效率。

在当前能源危机和环境污染日益严重的背景下，开发清洁和可再生的能量转换与存储系统成为科研重点。水凝胶因其良好的机械强度、可调的化学和物理特性以及优异的生物相容性，被认为是具有前景的材料。特别是在能源相关的应用中，导电水凝胶因其兼具电子和离子导电性，被广泛研究。通过在水凝胶中引入导电性材料，如银纳米线、金颗粒、碳基材料和液态金属等，可以显著提升其导电性能，从而使其适用于各种电化学应用。

### 2. 水凝胶的制备与性能优化

本研究中，水凝胶的制备采用了一步聚合反应，使用不同溶剂系统，包括纯水、水与乙醇的混合液以及PEDOT:PSS溶液。在这些溶剂体系中，研究者加入了MnCo?O?（MCO）催化剂颗粒和导电碳黑（cCB）作为导电填料。实验发现，使用PEDOT:PSS作为溶剂并结合超声分散方法能够实现最佳的复合材料分散效果，从而提升水凝胶的电化学性能。

超声分散方法相较于机械搅拌具有明显优势，它不仅能够更有效地防止催化剂颗粒的团聚，还能在较短时间内实现均匀分散。此外，乙醇的加入有助于抑制碳黑颗粒的沉降，提高分散效率。当使用较高浓度的碳黑时，导电网络的形成更加充分，从而增强了水凝胶的导电性。同时，随着碳黑浓度的增加，水凝胶的孔隙率逐渐降低，这表明导电材料的引入改变了水凝胶的结构特性，使其更加致密。

研究中还对不同溶剂体系下水凝胶的孔隙率进行了分析。结果表明，乙醇基溶剂体系能够形成更大的孔隙，并且其结构更为开放和互联，这有利于反应物和产物的传输。而使用PEDOT:PSS作为溶剂的水凝胶则呈现出更致密的结构，孔隙率相对较低，但导电性更强。通过调整溶剂种类和分散方法，可以有效调控水凝胶的微观结构，从而优化其电化学性能。

### 3. 水凝胶的电化学性能评估

为了评估水凝胶的OER性能，研究人员采用了旋转环盘电极（RDE）设备，并在0.1 M KOH电解液中进行实验。结果表明，使用PEDOT:PSS作为溶剂的水凝胶在OER过程中表现出最佳的催化活性。在10 mA/cm2电流密度下，该电极的过电位仅为396 mV，显著低于纯水和水-乙醇混合体系下的水凝胶。这表明，溶剂的选择对电极的电化学性能具有重要影响。

此外，通过循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）对水凝胶的双电层电容（Cdl）和塔菲尔斜率进行了分析。结果表明，随着碳黑浓度的增加，水凝胶的Cdl值显著提高，这反映了其电化学活性表面的增加。同时，塔菲尔斜率的降低也表明，水凝胶的电化学反应动力学得到了改善。特别是在使用PEDOT:PSS作为溶剂的水凝胶中，塔菲尔斜率降至41.1 mV·dec?1，显示出更高的催化效率。

研究还采用了电化学阻抗谱（EIS）对水凝胶的电化学性能进行了进一步分析。EIS结果表明，使用PEDOT:PSS作为溶剂的水凝胶表现出最低的电荷转移电阻（Rct），这表明其内部的电荷传输效率更高。同时，不同溶剂体系下的水凝胶在低频区域表现出不同的阻抗特性，这与它们的导电性和离子传输能力有关。

### 4. 水凝胶的稳定性与长期性能

为了评估水凝胶在OER过程中的稳定性，研究人员对最优性能的电极进行了50小时的恒电位测试。结果表明，该电极在测试过程中保持了良好的稳定性，电流密度仅出现轻微波动，表明其在长时间运行中具有良好的电化学性能。此外，通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）对测试后的水凝胶结构进行了验证，发现其三维多孔网络结构保持完整，催化剂颗粒的分布也未发生明显变化，进一步证明了其良好的结构稳定性和催化活性。

### 5. 水凝胶的结构特性与性能关系

研究结果表明，水凝胶的结构特性与其电化学性能密切相关。通过调整溶剂种类和分散方法，可以有效调控水凝胶的孔隙率、导电性以及催化剂颗粒的分布。其中，PEDOT:PSS作为溶剂能够提供更均匀的导电网络，从而提升水凝胶的电化学性能。同时，水凝胶的孔隙结构也对反应物和产物的传输效率产生重要影响，特别是在OER过程中，良好的孔隙分布有助于提高催化效率。

此外，研究还发现，水凝胶的电化学性能与催化剂颗粒的浓度和分散均匀性密切相关。随着碳黑浓度的增加，水凝胶的导电性显著提升，而催化剂颗粒的均匀分布则有助于提高其催化活性。因此，优化催化剂和导电填料的配比是提升水凝胶性能的关键因素之一。

### 6. 水凝胶在能量转换中的应用前景

本研究的成果表明，通过合理选择溶剂和分散方法，可以显著提升水凝胶在OER过程中的性能。这不仅为设计高效的导电水凝胶电极提供了新的思路，也为相关领域的应用拓展了可能性。水凝胶因其优异的导电性和催化活性，可以用于制备高效的氧析出反应电极，从而提高能量转换效率。

此外，水凝胶的多孔结构和良好的离子传输能力使其在柔性电子设备、燃料电池、金属-空气电池和水分解反应中具有广泛的应用前景。通过进一步优化水凝胶的结构和性能，可以开发出更加高效和稳定的电化学材料，为可持续能源技术的发展提供新的解决方案。

### 7. 未来研究方向

尽管本研究取得了显著成果，但仍有一些方面需要进一步探索。例如，如何定量评估分散质量与电化学性能之间的关系，以及如何进一步优化导电填料的含量以实现最佳性能。此外，研究还应关注不同溶剂体系对水凝胶结构和性能的长期影响，以及如何通过调控水凝胶的微观结构来提高其在不同环境下的稳定性。

总之，本研究通过系统地探讨溶剂选择和分散方法对导电水凝胶电极性能的影响，为设计高效的电化学材料提供了新的思路。水凝胶因其独特的结构和性能，在能源转换和存储领域具有广阔的应用前景，未来的研究应进一步优化其性能，以满足实际应用的需求。