第一作者：张力月

通讯作者：许秋成、江浩

通讯单位：华东理工大学&丹麦技术大学

阴离子交换膜水电解（AEMWE）是最有前途的绿色制氢技术之一。然而，该技术仍然面临阳极催化剂低活性及稳定性的难题。一种解决途径是为阳极催化剂匹配合适的电解质条件。

近日，丹麦技术大学许秋成、华东理工大学江浩教授团队合作发表题为“Benchmarking the pH−Stability Relationship of Metal Oxide Anodes in Anion Exchange Membrane Water Electrolysis”的研究文章。该文章探究了多种金属氧化物阳极在不同pH条件下AEMWE活性和稳定性，揭示了铁基材料在纯水、弱碱电解过程中逐渐失活的原因。各种金属氧化物中，钴基材料（Co₃O₄）在纯水和弱碱性条件下表现出与IrO₂相当的活性和稳定性。在pH=12时，它在仅需 ∼2.18 V 即可达到1 A cm^–2并能稳定工作40小时。这项工作为AEMWE筛选了合适的过渡金属氧化物作为贵金属的替代品并明确了它们最佳的反应条件。

该工作在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上发表论文。

图1. 多种金属氧化物在不同pH条件下的AEMWE活性

本文探究了四种金属氧化物（Co₃O₄、IrO₂、Ni_0.5Co_1.5FeO₄、NiFe₂O₄）。强碱条件下，四种金属氧化物展现相差不大的活性差异，其中NiFe₂O₄最为优异。弱碱条件下，Co₃O₄具有最高的活性，超过了贵金属IrO₂。纯水条件下，Co₃O₄和IrO₂依旧保持较高的活性和稳定性，但是Ni_0.5Co_1.5FeO₄和NiFe₂O₄不再稳定。

图2. 多种金属氧化物在不同pH条件下的AEMWE稳定性，以及铁基氧化物在纯水和弱碱条件下的失效原因。

本工作进一步测试了四种金属氧化物的稳定性并进行了失效分析。纯水和弱碱条件下Ni_0.5Co_1.5FeO₄和NiFe₂O₄不稳定，这主要是源于Fe组分的逐渐溶解。根据Fe-H₂O的Pourbaix diagram，当阳极析氧反应（OER）过电势高于Fe组分稳定极限时，Fe组分会呈现离子状态，因而逐渐溶解。碱性条件下，OER具有较低的过电势，Fe组分可以稳定；然而，OER在纯水条件下具有较慢的反应动力学及很高的过电势，Fe组分不稳定并逐渐溶解。

图3. 碱性预活化技术对于各种金属氧化物的AEMWE性能及稳定性影响。

本工作也探究了碱性预活化技术对于各种金属氧化物在纯水电解中的影响。实验发现，该技术对NiO具有很强的优化作用，活化后的催化剂在纯水电解过程中活性提高了0.3 V。该技术对Co₃O₄和IrO₂没有改善作用；与此相反，它加速了催化剂/配体界面的衰减，因而它们的活性轻微减弱了。

图4. Co₃O₄和IrO₂在弱碱条件下的稳定性对比。

题目：Benchmarking the pH−Stability Relationship of Metal Oxide Anodes in Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.3c01619