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?四單位聯(lián)合AEM: 制備多層NiFeM納米泡沫催化劑，顯著提高AEMWE性能

3d過(guò)渡金屬，尤其是鎳、鐵、鈷和錳，在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的OER活性和穩(wěn)定性。盡管目前大多數(shù)過(guò)渡金屬氧化物在半電池反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的OER活性，但它們很少能在基于膜電極組體(MEA)的堿性陰離子交換膜水電解槽(AEMWEs)中表現(xiàn)出相同的性能。其中一個(gè)原因是實(shí)際電解槽中的MEA測(cè)試要嚴(yán)格得多，這會(huì)導(dǎo)致一些材料的嚴(yán)重腐蝕。

此外，目前MEA性能的不足還與電/離子導(dǎo)電率低以及與三維多孔催化劑層內(nèi)離聚體界面不良有關(guān)。此外，有利于傳質(zhì)和離聚體分散的孔隙率和形貌對(duì)于高電流密度制氫至關(guān)重要。因此，建立OER電催化劑的結(jié)構(gòu)/組成與其MEA性能之間的關(guān)系對(duì)于理解催化機(jī)理和提高AEMWE性能具有重要意義。

近日，紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛、普渡大學(xué)曾振華、Giner Inc., Newton的Hui Xu和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Deborah J. Myers等通過(guò)調(diào)節(jié)第三種金屬并將其加入到當(dāng)前的NiFe催化劑中，開(kāi)發(fā)了多種多孔和多層三元NiFeM (M=Co、Cu或Mn)泡沫OER催化劑，其具有獨(dú)特的非晶態(tài)氧化物外殼和晶體混合相金屬玻璃核結(jié)構(gòu)。引入第三過(guò)渡金屬元素可以產(chǎn)生更活躍的雙金屬中心，如Co-Ni和Co-Fe，這可以降低OER過(guò)程中OH轉(zhuǎn)化為O的勢(shì)壘。

此外，雙金屬中心的協(xié)同作用可以在OER過(guò)程中破壞OH-O結(jié)合，為這些臨界中間體提供最佳的吸附能量。內(nèi)晶核通過(guò)促進(jìn)供電過(guò)程，加速反應(yīng)，在高電流密度下運(yùn)行的水電解槽中作出了顯著的貢獻(xiàn)。更重要的是，這些3D催化劑除了具有自支撐、中孔和大孔的結(jié)構(gòu)外，還具有較高的穩(wěn)定性，可以大大緩解腐蝕問(wèn)題。

性能測(cè)試結(jié)果顯示，在半電池反應(yīng)中，NiFeCo對(duì)OER具有最好的催化活性和穩(wěn)定性。同時(shí)，NiFeMn催化劑在基于AEM的MEA中作為陽(yáng)極時(shí)，在1.7 V下的電流密度高達(dá)2.0 A cm^-2。此外，當(dāng)使用純水作為電解質(zhì)時(shí)，特別是在高電流密度下，NiFeCu催化劑在≈2.3 V的電壓下產(chǎn)生1.2 A cm^-2的電流密度，性能接近IrO₂。

這些NiFeM催化劑在不同OER環(huán)境下性能的不同，進(jìn)一步突出了理解陽(yáng)極催化劑的實(shí)際活性中心、催化劑/電解質(zhì)界面和實(shí)際表面形態(tài)/結(jié)構(gòu)在提升材料性能方面的重要性。

Regulating the third metal to design and engineer multilayered NiFeM (M: Co, Mn, and Cu) Nanofoam anode catalysts for anion-exchange membrane water electrolyzers. Advanced Energy Materials, 2024. DOI: 10.1002/aenm.202400029

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