304型不銹鋼網基電分解水析氫、析氧催化電極——廉價、質優、性能拔群

【引言】

隨著近年來化石能源的日益消耗以及環境問題的逐漸惡化，能源危機迫在眉睫，新型可持續能源的需求也與日俱增。而電催化分解水產生氫氣能源的技術有望帶領人類走出這一困境的有效途徑之一。但是，由于電催化分解水活性電極多為貴金屬或貴金屬氧化物（如析氫催化電極鉑和析氧催化電極二氧化銥），因而其居高不下的造價成本成為阻礙這一新興技術大規模應用的攔路虎。如何在保證電極材料具備高性能的前提下，采用其他低廉的活性電極是當下電分解水能源轉化領域的研究熱點之一。

2017年7月6日，中山大學紀紅兵教授和童葉翔教授（共同通訊）課題組合作在Advanced Materials上發表了一篇題為“Cost-Effective Alkaline Water Electrolysis Based onNitrogen- and Phosphorus-Doped Self-Supportive Electrocatalysts”的論文，為電解水領域展示了一種以廉價的不銹鋼網衍生出的能夠在堿性條件下高效分解水的電極材料。研究人員通過將普通商用的304型柔性不銹鋼網進行酸腐蝕剝離并在高溫利用氨氣以及磷化氫氣體活化處理，分別制備出了性能媲美金屬鉑和氧化銥電極性能的陽極和陰極電極。這種電極具有以下優點：

（1）成本低廉：304型柔性不銹鋼網每平方米售價40美元，而其他常用的非貴金屬替代電極材料如鎳網每平方米100美元，碳布每平方米875美元。金屬鉑和二氧化銥就更加昂貴得多。

（2）活性優異：得益于表面的腐蝕剝離增加的活性比表面積以及高溫氨氣或磷化氫氣體的燒灼引入的氮或磷原子，制備的氮摻雜活化電極析氫活性與金屬鉑相近，磷摻雜活化電極析氧活性較二氧化銥高。電解水整體體系性能比傳統組合金屬鉑-二氧化銥系統的超電勢還要小。

（3）性能穩定：整個體系將近6天不間斷工作時間之內性能未觀察到任何衰減。

【圖文導讀】

（圖片來自文章作者）

圖一：陽極不銹鋼網的處理方法示意圖及處理前后不銹鋼網的形貌、組成分析

（a）陽極不銹鋼網的水熱剝離以及氮摻雜處理方法示意圖；SS：未處理的不銹鋼網，ESS：剝離腐蝕后的不銹鋼網，NESS：氮摻雜及剝離腐蝕后的不銹鋼網

（b-c）處理前、后的掃描電鏡圖（SEM）；經過處理后，在不銹鋼網纖維表面變得粗糙，且出現細微的納米顆粒。因此處理后不銹鋼網比表面積的增大，使得活性位點的增多；

（d）能譜元素分布圖；經過氮化處理后，在不銹鋼電極內部引入N原子。

圖二：處理后電極的物相組成及元素價態分析

（a）處理后電極的X射線衍射圖（XRD）；由圖中峰位置及強度的偏移，能夠看出經過剝離和氮摻雜后，不銹鋼電極的晶型結構發生了改變。

（b-d）處理后電極的X射線電子能譜（XPS）分析圖；經過處理后，在不銹鋼材料中觀測到了吡啶氮和吡咯氮兩種氮組成的存在。其中吡啶氮被報道有催化分解水的活性。同時，Fe元素和Cr元素（二者均是不銹鋼網的組成元素）向低價位置偏移，證明了低價金屬的產生。

圖三：陽極不銹鋼網的電化學性能表征分析。

（a-c）各樣品的線掃曲線、塔菲爾曲線測試以及奈奎斯特（Nyquist）曲線；其中處理后的陽極不銹鋼網展現出優異的析氧性能和電學性能；IrO₂-CC：附著在碳布上的二氧化銥，對照組

（d）穩定性測試中氧氣產量和電流測試圖；

（e）恒電位（6天）和恒電流（5.6天）條件下電極的穩定性性能；

（f-i）長時間穩定性測試后的材料晶型形貌結構以及元素價態的分析表征；經過穩定性性能測試后，電極材料的形貌和元素價態幾乎未發生任何改變。

圖四：陰極不銹鋼電極的制備和表征

（a）陰極不銹鋼網的氮、磷摻雜處理方法示意圖；NESSP：氮和磷雙摻雜的剝離腐蝕不銹鋼網

（b-d）經過磷摻雜后電極材料的XRD以及XPS表征測試圖；在進行磷原子的摻雜引入過程中，發現了FeP組分的存在，XPS也對Fe-P的存在進行了進一步的證明。

（e-g）各對照樣品及處理樣品的電學性能表征：線掃曲線、塔菲爾曲線測試；SS：未處理的型不銹鋼網；SSP：僅磷摻雜的未剝離不銹鋼網，Pt-mesh：金屬鉑網，對照組。

（h-i）陰極不銹鋼電極穩定性測試。

圖五：不銹鋼陰極、陽極組合電分解水能源轉化裝置性能

（a-c）裝置示意圖及線掃曲線；

（d）各樣品關鍵催化性能指標對比；處理后的不銹鋼電分解水能源轉化裝置性能極其優異，在高電流條件下，甚至比貴金屬系統具有更小的過電位。

（e-f）5.6天的裝置穩定性測試。

【結論】

本文報道了一種以304型不銹鋼網為原材料，制備具有高比表面積和氮或磷原子摻雜的電分解水催化電極的方法。該工作系統地研究了剝離腐蝕以及氮、磷原子的存在對樣品電化學析氫析氧性能所造成的影響，并對其中各樣品的物相組成進行了深入的分析，從而成功的設計組裝出了具備媲美貴金屬或貴金屬氧化物的能的電分解水能源轉化裝置。所制備的電極同時具有價格低廉，性能穩定的特點。本工作可為電分解水研究領域的科研工作者參考，推進電解水能源轉化技術的應用。

【文章鏈接】

Balogun M. et al. Cost-Effective Alkaline Water Electrolysis Based onNitrogen- and Phosphorus-Doped Self-Supportive Electrocatalysts, Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702095

【通訊作者簡介】

紀紅兵教授：http://ce.sysu.edu.cn//Item/7898.aspx

工學博士，中山大學化學與化學工程學院教授，博士生導師，長江學者，國家杰出青年科學基金獲得者，科技部中青年科技創新領軍人才，廣東省“珠江學者”特聘教授，中山大學精細化工研究院院長、中山大學惠州研究院院長。研究方向為環境友好的催化過程(多/均相催化、仿生催化和環境催化)，精細化工、天然精細化學品的分離與合成，綠色化工過程，化工園區管理。

童葉翔教授：http://ce.sysu.edu.cn//Item/7921.aspx

中山大學化學學院教授，博士生導師。兼任廣東省表面工程協會理事和廣州市電鍍協會理事，中國化學會化學教育委員會委員，《大學化學》編委，廣東省稀土協會理事，中國有色金屬學會冶金物理化學學術委員會委員，中國化學會電化學專業委員會委員，廣東省化學會秘書長。目前主要研究方向為納米能源材料與新能源器件，主要包括納米過渡金屬氧化物、納米半導體材料、光催化和電催化材料、光電化學、超級電容器和鋰離子電池等。

本導讀由論文作者課題組李明陽供稿，材料人特邀編輯劉田宇編輯審閱后發表。