露珠状碳模板构建分级粗糙层氧化锌实现超灵敏NO2传感

本文推荐一种通过低温浸涂法在泡沫镍上沉积La0.6Sr0.4CoO3(LSC)钙钛矿涂层的新策略，解决了碱性电解水阳极析氧反应(OER)催化剂制备温度高、成本大、规模化难的问题。研究通过调控催化剂负载量，显著降低过电位(η10=262 mV)和塔菲尔斜率(67 mV/dec)，在6 M KOH和75°C条件下展现优异稳定性，为绿色制氢提供高效、可规模化应用的电极材料。

　　

随着全球能源转型加速，绿色氢能作为替代化石燃料的重要选择备受关注。碱性水电解（Alkaline Water Electrolysis, AWE）是目前最成熟、商业化程度最高的制氢技术之一，但其阳极析氧反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）动力学缓慢，导致能耗高、效率低，成为制约该技术发展的关键瓶颈。传统OER催化剂依赖贵金属氧化物（如RuO₂、IrO₂），成本高昂且资源稀缺，难以大规模应用。因此，开发高效、稳定、低成本的非贵金属OER催化剂成为当前研究的热点。

钙钛矿氧化物（ABO₃型）因其可调控的电子结构和优异的催化性能，被视为最有潜力的OER催化剂之一。其中，锶掺杂的钴酸镧（La_1-xSr_xCoO_3-δ, LSC）因其高氧空位浓度和混合导电性，在OER催化中表现突出。然而，传统LSC合成需高温处理（600–1300°C），能耗高且难以直接沉积在三维导电基底上，限制了其实际应用。

为解决这一问题，波兰格但斯克理工大学的研究团队开发了一种低温浸涂法，在泡沫镍上成功制备LSC涂层电极，系统研究了催化剂负载量对OER性能的影响，并在接近工业电解槽的条件下验证了其催化活性和稳定性。该研究发表于《Applied Surface Science》，为低温制备高效OER电极提供了新思路。

研究采用改进的Pechini法制备LSC前驱体溶液，通过浸涂-热处理循环在泡沫镍上可控沉积催化剂层，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术表征涂层结构和化学状态，通过电化学测试（循环伏安法、线性扫描伏安法、电化学阻抗谱）评估OER性能，并在不同温度（25–75°C）和KOH浓度（1–6 M）下进行稳定性测试。

3.1. 结构与形貌表征

通过质量增益分析证实浸涂过程具有良好的重复性，每周期增加约11 mg催化剂。SEM显示涂层呈多孔结构，覆盖泡沫镍表面并渗透至三维骨架，保持孔道开放利于电解液传输。EDS图谱证实Co、La均匀分布，但Sr存在表面偏析现象。XRD和FTIR显示涂层中存在LSC钙钛矿相和SrCO₃杂相，XPS分析表明Co以+2和+3价态存在，Sr以碳酸盐和钙钛矿相形式存在。

3.2. OER电化学活性评估

电化学测试表明，双涂层电极（~24 mg）性能最优：在1 M KOH中，过电位（η₁₀）为262 mV，较空白泡沫镍（334 mV）降低72 mV；塔菲尔斜率为67 mV/dec，电荷转移电阻（R_ct）为0.22 Ω·cm^?2；双电层电容（C_dl）达287 mF，电化学活性面积（ECSA）为7175 cm²，质量归一化ECSA为34.2 m²·g^?1。过多涂层（3–4周期）会阻塞孔道，导致性能下降。

3.3. 温度对电化学性能的影响

升高温度至75°C显著提升OER动力学：双涂层电极的η₁₀降至176 mV，塔菲尔斜率降至49 mV/dec，C_dl增至616 mF。阿伦尼乌斯分析求得活化能（E_a）为7.34 kJ·mol^?1，低于多数镍基电极材料，表明其优异的反应动力学。

3.4. 稳定性性能

在1 M和6 M KOH中，于25°C和75°C下进行阶梯电流测试（10–500 mA·cm^?2），电极电位稳定无漂移，尤其在6 M KOH和75°C时电位仅1.45 V（@500 mA·cm^?2），证实其在工业条件下的适用性。

3.5. 测试后表征

XPS显示Co³⁺信号增强，Sr含量减少但仍存在碳酸盐相，EDS证实Sr部分溶解但涂层结构保持完整，表明电极在长期运行中虽存在Sr流失但整体稳定性良好。

本研究通过低温浸涂法成功制备了LSC/泡沫镍电极，优化后的双涂层电极在OER活性、反应动力学和稳定性方面均表现优异。其低过电位（262 mV）、小塔菲尔斜率（67 mV/dec）和高活性面积（7175 cm²）优于多数已报道的钙钛矿基电极，甚至媲美贵金属催化剂。在高温高浓度电解质中仍保持稳定，证明其适用于实际碱性电解槽环境。

尽管Sr偏析和碳酸盐相的形成可能影响长期性能，但通过成分优化（La:Sr=0.6:0.4）和表面改性可进一步缓解。该研究不仅提供了一种低温、可规模化制备OER电极的方法，还为钙钛矿催化剂在能源转换中的应用提供了重要参考，推动绿色氢能技术的低成本、高效化发展。