制氢电极的重要性
电催化水制氢，结合以光伏、风电为代表的可再生能源发电系统,能够为将来可持续的氢能供应提供理想的技术手段。电催化水裂解反应可分成析氢（HER）和析氧（OER）两个半反应。然而,析氧反应（OER）涉及四电子转移过程,动力学缓慢,是电解水的瓶颈反应。目前,碱性电解槽是最成熟的商业电解水技术,使用镍电极作析氧电极,由于其本征催化活性不高,使电解水效率严重受限。因此,从绿氢经济战略角度出发,开发稳定的、高活性电极对于实现氢能和可再生能源的有效利用具有重要意义。
为了提高镍电极的本征催化活性,通过对固相硼化、电化学氧化、快速离子交换等表面改性方法,制备了多种高性能的镍网材料作为碱性水氧化电极,比较镍电极材料表面结构与活性之间的构效关系,为提高氢气制备效率进行实验。
镍网电极固相硼化法
用固相硼化方法将镍网片转化为高性能的多层硼化镍碱性析氧电极。硼化提高了镍网电极的本征催化活性，硼化的镍片在电化学OER测试过程中存在活化现象,在电极表面原位生成了纳米片薄膜,催化过程中含有偏硼酸的γ-Ni OOH为主要催化活性相。与普通沟通镍网片相比,活化的硼化镍片的催化活性提高了近十倍,并且在超过1500小时的时间内表现出显著的催化稳定性。硼化镍电化学活化期间增强的催化性能得益于羟基氧化物的薄纳米片结构（即几何优化）和偏硼酸盐对羟基氧化物的电子结构调控之间协同优化作用（即电子优化）。
用氯离子耐腐蚀性的OER催化电极，将镍网片直接热硼化处理,然后进行电化学氧化制备一种多层析氧电极。可满足阳极材料用于海水分解的多种需求，该电极由起主要催化作用的表面氧化的镍网层、起抗腐蚀性作用的镍网中间层和起支撑作用的镍网基底组成。电极表面层氧化Ni Fe Bx层中硼物种以偏硼酸盐的形式存在,相应实验结合理论计算结果证明其存在有助于催化反应过程中催化活性相γ-（Ni,Fe）OOH的生成与稳定,同时,通过优化活性相的电子结构提高了电极材料的本征催化活性。相关含氯体系下的稳定性结果和腐蚀行为研究证实Ni Fe Bx中间层的能够有效防止阳极材料在含氯离子的电解质中过度氧化腐蚀。
在最小的过电势下应用高OER电流密度,制备有成本效益的高性能OER电极,对提高电解系统效率,实现工业制氢是必不可少的。一种经济高效且工业兼容的方法,在室温下快速制备了平方米级表面改性镍网电极,实现了在过电势为217 m V和300 m V时可分别达10 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度的OER催化活性,可稳定超过1900小时。在工业电解槽实际测试中,达到300 mA cm-2电流密度所需电压小于2 V。这种表面改性镍网电极方法有望在实际工业应用中发挥更大的商业价值。
原文始发于微信公众号（德祥瑞网业）：电解水制氢镍网电极的处理方法
