在非晶态喷雾热解NiFe2O4基底上实现的高效阴离子交换膜水电解

《ChemElectroChem》：Efficient Anion Exchange Membrane Water Electrolysis on Amorphous Spray-Pyrolyzed NiFe2O4

气雾辅助喷雾热解制备非晶态NiFe?O?催化剂，显著提升阳极氧析出反应活性与稳定性，iR-free电压达1.565 V（1 A/cm2），使用Nafion膜后电压降低37 mV，3 A/cm2下200小时稳定运行，降解率仅91 μV/h。

　　水电解技术作为绿色氢能生产的重要手段，正日益受到关注。该技术能够高效、规模化地生产高纯度的氢气，被视为未来能源存储与供应的关键。然而，现有的水电解技术仍面临诸多挑战，例如高成本、低效率和较差的稳定性。本文研究了一种新型催化剂NiFe?O?在碱性阴离子交换膜水电解（AEMWE）中的应用，探索了其结晶度和合成方法对催化性能的影响，并提出了优化催化剂性能的潜在路径。

目前，工业上应用的低温水电解技术主要包括液态碱性水电解（AWE）和质子交换膜水电解（PEMWE）。AWE的优势在于使用成本较低的材料，但其生产效率相对较低，且需要高度浓缩的碱性电解质，这在实际操作中带来了腐蚀和操作难度。相比之下，PEMWE虽然具有较高的生产效率和较低的电解电压，但其依赖于贵金属如铱和铂，导致设备成本显著增加。因此，寻找一种兼顾成本、效率和稳定性的替代技术成为研究重点。

AEMWE作为一种正在发展的技术，具有结合AWE和PEMWE优点的潜力。它可以在非贵金属环境下运行，同时具备紧凑的设计和在低电压下实现高生产率。然而，AEMWE的长期稳定性一直是其发展的主要障碍。随着膜制造商的不断进步，AEMWE已被证明可以在60至80摄氏度下运行数千小时，这一突破为该技术的广泛应用提供了可能。

研究中，NiFe?O?作为一种非贵金属催化剂，已被广泛研究用于氧气析出反应（OER）。它在AEMWE中表现出优异的催化活性，且相较于传统的IrO?催化剂更具成本效益。然而，NiFe基催化剂在长期使用中仍存在稳定性问题，这可能与活性物种的不足有关。为了提高其性能，研究人员尝试了多种方法，如引入碳材料，但这些材料在电解过程中容易被氧化，从而限制了其应用。

为了克服这些问题，研究团队采用了一种新型的气溶胶辅助喷雾热解方法来合成NiFe?O?纳米颗粒。该方法能够在不完全热解的情况下形成非晶态颗粒，保留了更多的羟基（O–H）键，这些键在电催化过程中起着关键作用。非晶态结构能够提供更快的电荷传输路径，从而提升催化活性。此外，非晶态材料具有更好的自修复能力，能够在长时间运行中保持稳定性。

研究还对比了喷雾热解法与共沉淀法及热解后的材料。共沉淀法通常会导致部分结晶，而喷雾热解法则能有效抑制结晶过程，形成非晶态纳米颗粒。在测试中，喷雾热解法合成的NiFe?O?表现出最佳的催化活性和稳定性。在1 A/cm2电流密度下，其iR_HF自由的电池电压仅为1.565 V，远低于其他方法合成的催化剂。当使用Nafion离子膜替代PiperION时，电池电压进一步降低至1.528 V，显示出Nafion在提高催化性能和稳定性方面的优势。

研究团队还对催化剂的长期稳定性进行了评估，结果显示喷雾热解法合成的NiFe?O?在200小时的测试中，其降解率仅为91 μV/h，远低于其他方法合成的催化剂。这表明非晶态结构能够有效提高催化剂的耐久性，使其在高电流密度和高温条件下仍能保持良好的性能。此外，研究发现，喷雾热解法合成的催化剂中残留的未完全热解硝酸盐可能有助于稳定结构，减少铁的迁移，从而进一步提升催化性能。

实验结果还表明，催化剂的稳定性不仅与材料本身有关，还与离子膜的选择密切相关。Nafion离子膜因其较低的膨胀率和较高的PTL（质子传输层）结合能，有助于维持催化剂的活性，同时促进电解液和气体的扩散。这些特性使得Nafion在提高AEMWE系统的整体性能方面发挥了重要作用。

从催化剂的微观结构来看，喷雾热解法合成的非晶态NiFe?O?具有更均匀的元素分布，其表面的羟基含量远高于其他方法合成的材料。这种结构特性有助于提高催化剂的活性，同时减少因结构变化导致的性能下降。而共沉淀法和热解后处理的催化剂由于存在更多的晶格缺陷和结晶结构，其性能和稳定性均不及非晶态材料。

研究还发现，随着电流密度的增加，催化剂的稳定性有所下降。在3 A/cm2的条件下，降解率达到了143 μV/h，约为1 A/cm2条件下降解率的两倍。这可能与活性位点的堵塞、颗粒脱落或铁的迁移有关。因此，如何在高电流密度下维持催化剂的稳定性成为进一步研究的重点。

从整体来看，喷雾热解法合成的非晶态NiFe?O?催化剂在AEMWE系统中表现出显著的优势。其低电压运行和良好的稳定性为绿色氢能生产提供了新的可能性。然而，铁的迁移仍然是制约其长期应用的关键问题。未来的研究应聚焦于如何优化催化剂组成，以减少铁的损失，同时提升其稳定性。此外，进一步探索更优的离子膜配方和结构设计，将有助于提升AEMWE的整体性能。

该研究不仅为AEMWE技术的发展提供了新的思路，也为催化剂设计和优化提供了重要的实验依据。通过对比不同合成方法和离子膜的影响，研究人员发现非晶态催化剂在提升催化活性和稳定性方面具有巨大潜力。同时，Nafion离子膜的引入进一步优化了系统性能，这为实际应用中的材料选择提供了参考。

总之，本文的研究结果表明，非晶态NiFe?O?催化剂在AEMWE中具有出色的性能和稳定性，其合成方法和材料特性为未来氢能生产技术的优化提供了新的方向。然而，为了实现更广泛的应用，仍需进一步解决铁迁移等问题，以确保催化剂在长期运行中的可靠性。