电解水的热力学势为1.23V；然而，在实际应用中，必须施加过电位来驱动水的分裂。发生在阴极的析氢反应(HER)和发生在阳极的析氧反应(OER)都需要激活过电位才能使反应以合理的速率进行。其原因是由于在电极表面形成反应中间体所需的高活化能导致的动力学障碍。电催化剂有助于降低这些过电位并加速反应。阳极的活化过电位比阴极的大。
因此，与析氢催化剂相比，更多的研究活动集中在析氧催化剂的开发上，这也是阴极侧通常使用较低催化剂负载的原因。阴极和阳极的催化剂负荷分别在0.5-1mg/cm2和2mg/cm2左右。然而，HER催化剂仍然对系统的总成本贡献很大。
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阳极析氧催化剂
氧化铱通常被认为是PEM水电解中最先进的OER催化剂。在单跃迁氧化物中，RuO2的OER活性最高，但在电解槽运行条件下不稳定(>~100 h)。与RuO2相比，IrO2的活性略低，但具有更高的耐腐蚀性。铱的缺点是储量比钌少得多，导致基于铱的催化剂价格昂贵。铱集中在少数几个国家，估计每年85%的铱产量在南非。铱的主金属是铂(>95%)和镍(<5%)。
为了在PEM水电解中制造更具成本效益的OER催化剂，人们正在采取三种主要策略:(1)制造Ir和Ru的二元或多金属氧化物，以提高稳定性、内在活性或稀释贵金属含量 (2)使用高表面积的载体来分散活性催化剂，以减少负载;(3)使用替代的制备方法和催化剂结构，如核-壳型结构和薄膜来减少高成本催化剂的负载。
图2.如何降低催化剂载量是研究重点
与RuO2相比，Ir-Ru体系具有高活性和更好的稳定性，因此得到了广泛的研究。进一步探索的基于Ir和Ru的其他二元或多金属氧化物包括Ta、Sn、Nb、Co、Ni、Zn、Pt、Ti、F、Si、Ce和Mn。除了金红石基氧化物外，焦绿石也被研究作为OER的催化剂。
纳米结构催化剂结合高表面积载体可以提高催化活性。除了高表面积外，支撑体必须具有高导电性，即使在高电位的酸性环境中也是如此，并且合适的孔隙结构允许反应物和产物在催化剂活性部位之间有足够的流动。探索的OER催化剂载体包括钛涂层碳、碳化钛、碳化钽、碳化硅-硅(SiC-Si)、氧化铟锡和掺锑氧化锡。
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阴极析氢催化剂
对于HER来说，高表面碳上高度分散的铂是PEM电解的基准催化剂。铂对HER表现出最高的活性，并且在酸性PEM环境中具有较高的耐腐蚀性，而碳则作为电子和质子的导电网络。
为了减少PEM电解槽中PGM催化剂的用量，人们也在探索诸如硫化物、磷化物、碳化物和硝酸盐等非贵重无机替代品作为HER催化剂。然而，与Pt基材料相比，它们的性能仍然要低得多。Pd/CNT(碳纳米管)也被探索作为Pt的替代品，但与Pt/CNT相比没有一致的差异。因此，努力的方向是在不降低高活动性的情况下降低负载。迄今为止，阴极侧催化剂负载减少的目标在0.05至0.2mg/cm2之间。
图3.Pd/CNT碳纳米管催化剂
