不锈钢基自再生富镍电极实现安培级析氧反应：突破成本、活性与稳定性瓶颈

为解决 OER 催化剂成本高、稳定性差的问题，研究人员以不锈钢为基材开发自再生电极。通过电化学活化构建富 Ni 氧化物层，在 1 M KOH 中实现 316 mV（100 mA cm-2）过电位，1000 h 降解率仅 0.012 mV h-1，为碱性电解槽商业化提供新路径。

　　

论文解读

研究背景：破解 OER 工业化困境

随着可再生能源比例攀升，水电解制氢成为储能与化工原料生产的核心技术。析氧反应（OER）作为阳极半反应，其催化剂的成本、活性与稳定性是制约规模化应用的关键瓶颈。传统贵金属催化剂（如 IrO₂、RuO₂）价格高昂且储量有限，而过渡金属基催化剂（如 NiFe 衍生材料）虽展现潜力，但复杂制备工艺、高能耗及层状结构易降解等问题亟待解决。开发低成本、高稳定性的非贵金属 OER 电极，成为突破碱性电解槽（如阴离子交换膜水电解槽 AEMWE）商业化壁垒的核心挑战。

在此背景下，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究团队聚焦不锈钢这一廉价合金，探索其在 OER 中的应用潜力。不锈钢主要成分为 Fe、Cr、Ni，通过电化学活化可在表面形成富 Ni 的 NiFeO_x层，兼具高导电性与催化活性。更重要的是，利用金属元素溶解速率差异，提出 “自再生” 概念 —— 基材中的 Ni 可通过扩散持续补充表面活性层，有望解决催化剂长期稳定性问题。该研究成果发表于《Communications Chemistry》，为 OER 电极设计提供了全新范式。

关键技术方法（约 250 字）

1. 电化学活化优化：采用田口正交实验设计，系统筛选活化温度（25-75℃）、KOH 浓度（1-6 M）、电流密度（100-1000 mA cm^-2）和时间（1-4 h），确定最优条件为 50℃、4 M KOH、1000 mA cm^-2活化 2 h。
2. 多维度表征技术：通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电镜 - 能谱（SEM-EDS）、透射电镜 - 能谱（STEM-EDS）和 X 射线光电子能谱（XPS），分析电极表面元素分布、氧化态及催化剂层结构演变。
3. 性能测试：在三电极体系中进行线性扫描伏安法（LSV）、塔菲尔斜率（Tafel slope）和电化学阻抗谱（EIS）测试，评估催化活性与动力学；在 AEMWE 单电池中以 1000 mA cm^-2电流密度进行 1000 h 耐久性测试，监测电压衰减与金属溶解量。

研究结果

1. 活化条件优化与催化性能提升

通过正交实验发现，电流密度对 OER 活性影响最显著，其次为 KOH 浓度，温度影响最弱。最优活化条件下制备的电极（Sample 6）表现出优异性能：在 1 M KOH 中，100 mA cm^-2电流密度下过电位仅 316 mV，优于多数报道的 NiFe 基催化剂。塔菲尔斜率分析显示，活化后电极的 OER 动力学显著改善，而电化学活性表面积（ECSA）从 34.3 cm^-3增至 40.3 cm^-3，表明活性位点数量与本征活性共同提升。

2. 自再生机制验证与耐久性研究

长期稳定性测试表明，电极在 1000 mA cm^-2下运行 1000 h，过电位仅增加 12 mV，降解率低至 0.012 mV h^-1。STEM-EDS 与 XPS 表征发现，活化后形成约 20 nm 的富 Ni 氧化物层（Ni/Fe 原子比≈7/3），而耐久性测试后该层增厚至 150 nm，且 Ni/Fe 比例保持稳定。金属溶解分析显示，Fe、Cr 溶解速率显著高于 Ni，基材中的 Ni 通过扩散持续补充到表面，验证了 “自再生” 机制。1000 h 内总金属损失仅占电极重量的 0.06%，表明材料损耗极小。

3. 实际应用场景验证

在 AEMWE 单电池测试中，5 cm²规模的活化不锈钢电极作为阳极，搭配无贵金属的 NiMo/C 阴极，在 80℃、1000 mA cm^-2条件下稳定运行 1000 h，电压衰减率为 0.027 mV h^-1。尽管略高于三电极体系结果，仍证明其在复杂实际环境中的可行性，为规模化应用奠定基础。

结论与意义

本研究通过简单电化学活化工艺，将廉价不锈钢转化为高性能自再生 OER 电极，成功平衡了成本、活性与稳定性三大核心要素。关键创新点包括：

1. 自再生机制：利用 Fe、Cr、Ni 溶解速率差异，实现表面富 Ni 活性层的持续再生，突破传统薄层催化剂易损耗的局限。
2. 工业化潜力：无需复杂制备工艺，避免离子聚合物使用，降低材料与工艺成本，适用于大规模生产。
3. 性能突破：在高电流密度（1000 mA cm^-2）下展现超长效稳定性，降解率优于多数已报道材料，满足工业级电解需求。

该成果不仅为碱性水电解技术提供了低成本解决方案，更革新了电极设计理念 —— 通过基材元素自供给实现催化层再生，为其他电催化体系（如 CO₂还原、氮还原）的稳定性提升提供了新思路。随着可再生能源发电成本下降，此类自再生电极有望加速氢能经济的商业化进程，助力全球碳中和目标的实现。