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电催化OER在许多能量转换和存储系统中是必不可少的，特别是对于水分解电解槽和可充电的金属-空气电池。OER涉及到多电子和多中间体，因此有必要设计优异的电催化剂以加快反应动力学。碳质无金属电催化剂作为一类重要的OER催化剂，近年来得到了广泛的研究。此外，杂原子掺杂、缺陷工程和碳基底(例如碳纳米管，石墨烯)的分子间功能化是针对这种无金属OER电催化剂的典型合成策略。本质上，所有这些策略都诱导了共轭碳基体上的电荷重分布，从而使一些局部带正电的(或称为p型结构域)碳原子被激活作为OER的活性位点，即在OER过程中，诱导带正电荷的碳是氢氧化物中间体吸附必不可少的条件。
然而，依赖碳同素异形体作为原料限制了前体的选择，而上述大多数改性方法也涉及复杂和/或能源消耗程序(如煅烧)。因此，有必要寻找易于制备的高效无金属OER电催化剂，但这也具有挑战性。
近日，
悉尼大学赵慎龙
、
裴增夏
和
波多黎各大学陈中方
等证明中间结构聚丙烯酸酯水凝胶可以提供优异的OER活性(与碱性电解质中的基准IrO
2
催化剂相当)，以及在各种pH环境中的高耐久性和良好适应性。具体而言，所制备的CC-PANa电极在10 mA cm
−2
电流密度下的OER过电位为316 mV，Tafel斜率仅为42 mV dec
−1
；PANa电极在酸性和中性磷酸盐缓冲溶液电解质中也具有良好的OER活性。
然而，与碱性电解质相比，酸性和中性电解质中的电极显示出更严重的活性衰减，这是因为非碱性电解质中OER所需的过电位太高，并且酸性电解质具有高度腐蚀性。因此，虽然PANa电极在不同的电解质中表现出活性，但它更适合于碱性电解质中的OER。
为了证明聚合物水凝胶材料作为OER电催化剂的一般性，研究人员还研究了另一种最常见的烯丙基聚合物聚丙烯酰胺(PAM)的OER活性。DFT计算表明，PAM水凝胶对于OER需要更大的过电位，可能是由于末端酰胺组中碳原子的正电荷较少(+0.152 e，唯一的活性位点)。这些结果表明，作为OER电催化剂的聚合物水凝胶必须有足够的正碳中心，但最佳电荷密度仍有待进一步研究。
此外，研究人员水解了PAM(在6 M KOH中保持在70 °C 1小时，标记为HPAM)，HPAM样品中-CONH
2
基团特征峰向-COO基团特征峰变化。同时，与原始的CC-PAM相比，CC-HPAM电极提供了更好的OER活性，活性的逐渐增强进一步证明-COO基团是一个更加活跃的OER位点，这也表明了通过调节聚合物化学来开发高效的水凝胶基OER电催化剂的巨大潜力。
A Polymeric Hydrogel Electrocatalyst for Direct Water Oxidation. Nature Communications, 2023.
DOI: 10.1038/s41467-023-36532-x
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