制氫電極的重要性
電催化水制氫，結合以光伏、風電為代表的可再生能源發電系統,能夠為將來可持續的氫能供應提供理想的技術手段。電催化水裂解反應可分成析氫（HER）和析氧（OER）兩個半反應。然而,析氧反應（OER）涉及四電子轉移過程,動力學緩慢,是電解水的瓶頸反應。目前,堿性電解槽是最成熟的商業電解水技術,使用鎳電極作析氧電極,由于其本征催化活性不高,使電解水效率嚴重受限。因此,從綠氫經濟戰略角度出發,開發穩定的、高活性電極對于實現氫能和可再生能源的有效利用具有重要意義。
為了提高鎳電極的本征催化活性,通過對固相硼化、電化學氧化、快速離子交換等表面改性方法,制備了多種高性能的鎳網材料作為堿性水氧化電極,比較鎳電極材料表面結構與活性之間的構效關系,為提高氫氣制備效率進行實驗。
鎳網電極固相硼化法
用固相硼化方法將鎳網片轉化為高性能的多層硼化鎳堿性析氧電極。硼化提高了鎳網電極的本征催化活性，硼化的鎳片在電化學OER測試過程中存在活化現象,在電極表面原位生成了納米片薄膜,催化過程中含有偏硼酸的γ-Ni OOH為主要催化活性相。與普通溝通鎳網片相比,活化的硼化鎳片的催化活性提高了近十倍,并且在超過1500小時的時間內表現出顯著的催化穩定性。硼化鎳電化學活化期間增強的催化性能得益于羥基氧化物的薄納米片結構（即幾何優化）和偏硼酸鹽對羥基氧化物的電子結構調控之間協同優化作用（即電子優化）。
用氯離子耐腐蝕性的OER催化電極，將鎳網片直接熱硼化處理,然后進行電化學氧化制備一種多層析氧電極。可滿足陽極材料用于海水分解的多種需求，該電極由起主要催化作用的表面氧化的鎳網層、起抗腐蝕性作用的鎳網中間層和起支撐作用的鎳網基底組成。電極表面層氧化Ni Fe Bx層中硼物種以偏硼酸鹽的形式存在,相應實驗結合理論計算結果證明其存在有助于催化反應過程中催化活性相γ-（Ni,Fe）OOH的生成與穩定,同時,通過優化活性相的電子結構提高了電極材料的本征催化活性。相關含氯體系下的穩定性結果和腐蝕行為研究證實Ni Fe Bx中間層的能夠有效防止陽極材料在含氯離子的電解質中過度氧化腐蝕。
在最小的過電勢下應用高OER電流密度,制備有成本效益的高性能OER電極,對提高電解系統效率,實現工業制氫是必不可少的。一種經濟高效且工業兼容的方法,在室溫下快速制備了平方米級表面改性鎳網電極,實現了在過電勢為217 m V和300 m V時可分別達10 mA cm-2和100 mA cm-2電流密度的OER催化活性,可穩定超過1900小時。在工業電解槽實際測試中,達到300 mA cm-2電流密度所需電壓小于2 V。這種表面改性鎳網電極方法有望在實際工業應用中發揮更大的商業價值。?
原文始發于微信公眾號（德祥瑞網業）：電解水制氫鎳網電極的處理方法
