泡沫鎳析氫電極應用進展

左 姍，鄒 震，陳少娜

(三峽大學 材料與化工學院，湖北 宜昌 443002)

21世紀能源問題是一個急需解決的難題，越來越多的人嘗試利用新能源來彌補空缺。氫能源因其清潔、高效等特點在近些年發(fā)展迅速。制造氫能源的方法多數(shù)來源于電解水，電解材料的性能極大程度上影響了電解水的能力，因此電催化材料的研究和改進具有十分現(xiàn)實的意義。在泡沫電極還未發(fā)展之前，人們大多都是用普通金屬作為電極進行析氫，而Pt是公認的析氫效果最好的金屬，但是由于其昂貴的價格，并未能廣泛運用于電解水工藝，而其次較為突出的是鎳，高鵬等人[1]研究了堿性環(huán)境中鎳電極的析氫機理，得出了較為清晰的反應歷程。常規(guī)金屬之后，多孔金屬因其表面積大等一系列優(yōu)越性能被大量運用到析氫工藝中。而泡沫金屬則是進一步發(fā)展了多孔金屬的物理優(yōu)越性，并且因其易負載其他金屬這一突出特點，被逐漸運用到電解水中。鑒于鎳元素價格合理，并且析氫能力較好，其析氫能力相對于普通鎳提高了很多，并且因為鎳元素的延伸性較好，負載能力較強，而且制成的電極材料性能穩(wěn)定，逐漸形成了泡沫鎳基電極的體系。Sa Lv[2]等人研究了在泡沫鎳基上負載氫氧化鎳并成功提升了鎳基的析氫能力。而國內(nèi)很多學者則是著重研究了一元金屬、二元金屬等合金泡沫鎳基(NF)電極，發(fā)現(xiàn)Mo、Fe、Co等與鎳元素本身性質(zhì)較為接近的金屬對鎳基有很好的促進作用[3-4]，并研究了這些元素之間的相互作用甚至深入到了電子結(jié)構(gòu)等，從微觀層面說明了影響原因。如今泡沫電極的發(fā)展十分迅速，擁有較大的表面積和負載能力，節(jié)省了許多負載的空間。并且這些材料相比于Pt等十分便宜，將泡沫鎳基材料大量運用于電解水工藝中有了大大的可能，十分具有現(xiàn)實意義。

1 泡沫鎳負載一元物質(zhì)作為析氫電極

通過浸漬沉積法制備的Pt/NF電極[5]的SEM圖如圖1所示，與一般材料不同，Pt納米粒子沒有負載在孔的內(nèi)部而是均勻地負載在NF電極的表面，可以看出Pt納米粒子的直徑大約200～500 nm。電極的表面相較之下更加粗糙，增大了其比表面積，便有利于提高電極的析氫催化活性。泡沫鎳負載Mo的合金電極如圖2所示，表面存在大量裂紋，電鍍Ni-Mo合金[6]時產(chǎn)生大量的氫氣導致這些裂紋的產(chǎn)生。而在長時間電解過程中，由于氫氣劇烈析出，這些裂紋容易導致鍍層脫落，從而使電極活性降低。由于Ni-Mo合金鍍層的納米晶結(jié)構(gòu)，且表面存在大量的小突起，Ni-Mo合金才具有較高的真實表面積。采用電沉積法制備的Fe/NF電極[7]也可以顯著提高電極的析氫催化活性，大量的Fe納米粒子沉積在光滑的泡沫鎳電極表面，可以使電極的表面更加粗糙，有效增大比表面積，從而提高了電極的析氫催化活性。泡沫鎳表面沉積銅膜[8]，泡沫鎳表面沉積金屬銅不僅沒有促進催化析氫作用，相反抑制了泡沫鎳的析氫性能。吳梅等人[9]制備的Ni-WC/Ni電極析氫電極的極化電流比泡沫Ni電極平均大50 mA/cm2以上。

圖1 Pt/NF電極SEM圖

圖2 Ni-Mo合金電極50倍SEM圖

2 泡沫鎳負載二元物質(zhì)作為析氫電極

泡沫鎳負載Ni-Mo制備復合電極[10-11]，大量的Ni-Mo小顆粒突起存在于復合電極的金屬大顆粒上，這些小突起大幅增加了復合電極的比表面積。與Ni-Mo合金電極比較，在電流密度200 mA/cm2時，復合電極析氫過電位比Ni-Mo合金低50 mV左右，說明具有活性表層的復合電極活性比相應的合金高。通過電沉積方法制備泡沫鎳負載Cu-Co電極，與單金屬層電極相比，獲得的NF/Cu0.01/Co0.05表面復合層電極表現(xiàn)出更好的析氫活性和穩(wěn)定性，其獲得的粗糙表面以及鈷外層和銅內(nèi)層之間的協(xié)同作用下，其產(chǎn)生的析氫電流是泡沫鎳的2.82倍，就有較高的使用價值[8,12]。運用電沉積法+浸漬沉積法制備復合材料Pt-Fe/NF電極[13]，Pt-Fe/NF電極表面在Fe/NF和Pt/NF電極表面基礎(chǔ)上納米粒子更加緊密，該電極相對于Fe/NF和Pt/NF電極具有更大的比表面積，提高了復合催化劑的析氫性能。然而，Pt-Fe/NF電極在酸性溶液中穩(wěn)定性不好。

3 泡沫鎳負載三元物質(zhì)作為析氫電極

在Ni-Mo-Fe合金中加入了稀土元素La[14-15]后，新鍍層表面的顆粒較之前的鍍層相比更細致和平整光滑，致密性有了提高，從而降低了表面能，使得金屬離子更好地吸附在基體表面，對于合金的成核而言得到很好的催化中心，提高了形核率并且細化了晶粒，提高了新鍍層的真實表面積。稀土元素La的加入增大了鍍層的真實表面積，引入稀土元素La明顯提高了電極的析氫能力。

4 總結(jié)

近年來泡沫鎳基電極發(fā)展十分迅速，本文對制備成熟并且大量使用的泡沫鎳基材料進行總結(jié)，分析不同的負載物對析氫能力的影響。隨著負載物的增加，相互作用越發(fā)復雜，多元負載物對鎳基的性能有大大的促進作用，在今后的研究中可以多進行元素之間的結(jié)構(gòu)探究，將非金屬元素，過度元素等相互有促進作用的負載到鎳基上，進一步提高其析氫能力。