来源：ACS Publications

有几种相关的低温电解技术可能适合生产廉价的 H2利用可变的可再生电力生产。碱性水电解槽 （AWE） 已经成熟，通常使用30 wt % KOH 电解质，温度为80 °C，两个电极是非铂族金属 （non-PGM） 催化剂，由多孔隔膜隔开。AWE 历来受到电流密度有限 （<500 mA cm –2的困扰），尽管先进的系统正在努力克服这些限制，但厚隔膜的内阻较高，并且电极上积聚的气泡会产生传质阻力。通过多孔分离器的气体交叉进一步限制了在压差下运行的能力以及输出 H2纯度。为了解决这些限制，开发了质子交换膜水电解槽 （PEMWE）。现代 PEMWE 在 2–4 A cm –2的电流密度下工作和差压 （200–400 psi），降解率为 <10 μV h–1。然而，由于酸性全氟聚合物膜导致的局部酸性和腐蚀性环境需要昂贵的耐酸催化剂 （IrO2和 Pt），这确实限制了可扩展性。需要更便宜的电池硬件组件并大幅减少?PGM?催化剂的使用，以实现 H2的成本和规模目标生产。

阴离子交换膜水电解槽 （AEMWE） 结合了 AWE 和 PEMWE 的优点，可实现零间隙配置和差压作，使用纯水或支持电解质进料。与 PEMWE 相比，AEMWE 还能够更好地容忍低纯度的水源，这可以降低系统复杂性、运营成本和稳健性。碱性环境允许使用廉价的硬件组件和富含地球的催化剂。然而，目前的纯水进料 AEMWE 在效率和耐用性方面的性能远低于 PEMWE（通常为 >1 mV h–1AEMWE 中的性能损失）。为了补偿膜/离聚物和阳极催化剂的缺点，支持电解质，如KOH 或 K2CO3通常送入 AEMWE 以降低膜和催化剂层的离子电阻并提高耐久性。用 1.0 M KOH 电解质进料的 AEMWE 实例已证明 2 A cm–2在 1.8 V 时，接近 PEMWE 的性能。然而，使用腐蚀性碱性电解质是膜电解槽系统的一个缺点，这可能导致系统级的分流电流和硬件腐蚀问题。AEMWE 的最终目标是实现与无电解质（名义纯水）进料相当的性能，但仅使用非 PGM 催化剂和非氟碳膜。

AEMWE 技术面临的一个挑战是难以专门为纯水进料的 AEMWE 设计 OER 催化剂，几乎所有的 OER 催化剂开发都是在液碱环境中完成的。尽管如此，AEMWE 最常见的阳极催化剂是 Ir 基催化剂，因为它们具有导电性，在 OER 条件下基本上不溶，并且在碱性介质中具有适度的 OER 活性。在液体电解质供料的 AEMWE 中，Ni-Fe（氧）氢氧化物和相关催化剂表现出优异的 OER 活性，就像在液碱介质中一样。然而，这些氢氧化物在纯水进料的 AEMWE 中往往具有较差的性能和耐用性，这可能是由于氢氧化物的导电性较低 （10–5mS –1厘米），它们无法完全氧化成导电性更强的氢氧氧化物，而没有可溶性电解质，以及可溶性 Fe 种类的可能溶解和损失。具有较高导电性的金属氧化物纳米颗粒往往表现出更好的性能。例如，Co3O4（0.2 毫秒 cm–1）阳极催化剂的性能几乎与 IrO2相当尽管其导电性几乎比 IrO2低一百万倍（1.4 ± 0.1 × 105mS –1厘米，所有报告的电导率都是针对此处的样品测量的，如下所述）Co3O4的电导率仍然远非最佳状态。

虽然大多数非贵金属氧化物是电绝缘体或半导体，但某些类别的钙钛矿氧化物表现出高金属电导率。LaNiO3，属于 ABO3家族钙钛矿具有金属特性，导电率为 4.3 ± 0.1 × 105mS –1厘米。然而，LaNiO3在碱性条件下，单独是 OER 的不良催化剂，并且只能通过吸收 Fe 杂质和形成 NiFeOOH 表面物种来活化 OER。LaNiO3的催化、电化学和电学特性，然而，可以通过 A 和 B 位点的阳离子取代系统地控制。一个潜在的挑战是 LaNiO3 的高温合成（通常为 >700 °C），导致活性位点的粒径大和密度低。

在这项工作中，我们利用了结晶 LaNiO3的高导电性并说明了如何使用策略性阳离子取代来同时控制和优化 （i） 电导率、（ii） 表面重建和 （iii） 活性表面相组成。我们表明，可以通过将 Co 取代到 LaNiO 中的 Ni 位点来控制和调整电导率和重构程度3.虽然纯 LaCoO3是一种低导电率的半导体，LaCoxNi1–xO3 系列显示电导率高出几个数量级 （2.3 ± 0.1 × 105mS 厘米–1至 1.1 ± 0.1 × 105mS 厘米–1） 的 x 范围从 0.3 到 0.7。Co 的添加还抑制了表面结构重构的程度，导致催化剂纳米颗粒形态更稳定。

我们发现 La 与 Sr 的 A 位取代减小了颗粒大小，使 BET 表面积大致增加了一倍。Sr，也比 Sr（OH）2更易溶解比 La 为 La（OH）3在碱性介质中，可以进一步调整表面非晶化程度。因此，通过系统的理解和随后的设计工作，我们报告Sr0.1La0.9Co0.5Ni0.5O3 阳极催化剂粉末在 70 °C 下在纯水进料 AEMWE 中具有最先进的性能，在 1.0 A cm 下实现 1.81 V 的电池电压–2和 1.97 V（2.0 A cm）–2.这些结果是纯水供给的 AEMWE 报告最好的结果之一，接近碱性电解质供给的 AEMWE（2 A cm –2时 1.8 V）,尽管仍高于使用 PGM 催化剂的成熟 PEMWE 技术（～2 A cm –2时 ～1.7 V）。因此，这项工作建立了结晶金属导电非贵金属氧化物 OER 催化剂的关键设计规则，其中电导率、表面反应性/重组和催化表面组成通过固态化学的系统作共同设计。