文 献 综 述

1.1 引言

随着社会的发展，能源消费逐年增加，随之而产生的全球变暖和环境污染等问题是当今世界人类面临的严峻挑战。与此同时，全球经济运行所依赖的化石能源，特别是石油、煤炭、天然气等被过度使用，人类即将面临资源枯竭问题。因此，人类需要利用更加高效、经济、清洁的新型能源，实现可持续发展的目标。风能、太阳能、潮汐能等可再生能源引起世界性范围内的关注，并且部分大型发电站已经开始应用这些能源。但是这些能源具有间歇性的特点，不能够持续发电，所以这些发电站需要消耗额外的更多的常规能源才能够维持其正常运行，因此这种储能方式是不经济的^[1]。有科学家认为,氢能在未来能源结构中最具发展潜力。作为理想的清洁能源，氢气将以其优异的使用性能在未来能源领域中扮演重要的角色^[2]。通过电解水得到氢气和氧气，可以将电能转化为化学能储存于氢气中，从而实现大规模的能量储存^[3,4]。氢气直接燃烧或者应用于氢燃料电池得到的产物均为水，对环境无害，也可以经过回收再次电解以制备氢气^[5]。氢气还可以和温室气体的主要组成部分CO₂通过催化加氢反应制得液态燃料^[6]。

电解水的反应存在速率、装置和费用等问题，通常情况下，工业电解水在碱性水溶液中进行^[4]。电解水技术主要受限于其两个半反应的动力学，阳极的析氧反应（oxygen evolution reaction，OER）和阴极的析氢反应（hydrogen evolution reaction，HER），所以需要考虑在两个电极添加高效的电催化剂使半反应更快地进行^[4]。本课题主要研究阳极的析氧反应（OER）中催化剂的制备和应用。理想的OER电催化剂需要具备高催化活性和良好的稳定性^[7]。传统的OER催化剂通常含有贵金属铱（Ir）和钌（Ru）^[8]，但是这些贵金属价格昂贵、储量有限，而且它们的催化反应的稳定性不足，因此，人类需要研究出廉价且性能优异的OER催化剂以取代这些贵金属催化剂。

目前，研究人员合成的OER 催化剂中，钙钛矿型氧化物（perovskite oxides）由于它们的低成本，良好的催化活性和高的热稳定性而引起了相当大的关注。但是通过常规的柠檬酸盐分解方法制备的钙钛矿金属氧化物通常具有相当低的比表面积（lt;10 m² g^-1），这导致其催化活性低，作为催化剂的可能性也随之降低。因此，如何提高钙钛矿金属氧化物的比表面积成为了研究热点。

1.2 电解水中析氧反应电催化

水被直流电电解生成氢气和氧气的过程被称为电解水。碱性介质下电解水示如下：

图 1 碱性介质下的电解水示意图

析氧反应（OER）中，OH^-被氧化生成H₂O并析出O₂（式1-1），析氢反应（HER）中，H₂O被还原生成OH^-并析出H₂（式1-2），电解水的总反应式（1-3）如下：

2OH^-→1/2O₂ H₂O 2e^-（OER） （1-1）