3d过渡金属，尤其是镍、铁、钴和锰，在碱性介质中表现出良好的OER活性和稳定性。尽管目前大多数过渡金属氧化物在半电池反应中表现出优异的OER活性，但它们很少能在基于膜电极组体(MEA)的碱性阴离子交换膜水电解槽(AEMWEs)中表现出相同的性能。其中一个原因是实际电解槽中的MEA测试要严格得多，这会导致一些材料的严重腐蚀。
此外，目前MEA性能的不足还与电/离子导电率低以及与三维多孔催化剂层内离聚体界面不良有关。此外，有利于传质和离聚体分散的孔隙率和形貌对于高电流密度制氢至关重要。因此，建立OER电催化剂的结构/组成与其MEA性能之间的关系对于理解催化机理和提高AEMWE性能具有重要意义。近日，纽约州立大学布法罗分校武刚、普渡大学曾振华、Giner Inc., Newton的Hui Xu和阿贡国家实验室Deborah J. Myers等通过调节第三种金属并将其加入到当前的NiFe催化剂中，开发了多种多孔和多层三元NiFeM (M=Co、Cu或Mn)泡沫OER催化剂，其具有独特的非晶态氧化物外壳和晶体混合相金属玻璃核结构。引入第三过渡金属元素可以产生更活跃的双金属中心，如Co-Ni和Co-Fe，这可以降低OER过程中OH转化为O的势垒。此外，双金属中心的协同作用可以在OER过程中破坏OH-O结合，为这些临界中间体提供最佳的吸附能量。内晶核通过促进供电过程，加速反应，在高电流密度下运行的水电解槽中作出了显著的贡献。更重要的是，这些3D催化剂除了具有自支撑、中孔和大孔的结构外，还具有较高的稳定性，可以大大缓解腐蚀问题。性能测试结果显示，在半电池反应中，NiFeCo对OER具有最好的催化活性和稳定性。同时，NiFeMn催化剂在基于AEM的MEA中作为阳极时，在1.7 V下的电流密度高达2.0 A cm-2。此外，当使用纯水作为电解质时，特别是在高电流密度下，NiFeCu催化剂在≈2.3 V的电压下产生1.2 A cm-2的电流密度，性能接近IrO2。这些NiFeM催化剂在不同OER环境下性能的不同，进一步突出了理解阳极催化剂的实际活性中心、催化剂/电解质界面和实际表面形态/结构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
