这种薄碳涂层将有助于减少水电解过程中产生的碳腐蚀现象
2018-07-25 10:56:20
作者： Vince 来源： 腐蚀与防护
水电解过程以及电子移动示意图；图片来源：韩国大邱庆北科学技术院。
来自韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）和美国太平洋西北国家实验室（PNNL，美国华盛顿）的研究人员正在开发一种电催化剂用的薄型碳涂层，他们认为这种碳薄膜涂层将比水电解过程所用的传统贵金属阳极电极更加便宜。
研究人员还表示，他们研制的这种新型纳米结构催化剂可以降低碱性水电解中经常出现的、由碳诱发的腐蚀的速率。
我们预计这将会是一种开发高金属含量、低碳含量的复合纳米结构的独特方法。这些纳米结构有效增强了金属活性位点，并在催化剂表面形成薄碳层保护和超快的电子运动“，来自大邱庆北科学技术院能源科学和工程学领域的教授SangarajuShanmugam说道：”这还将提高电催化剂的电化学活性和稳定性。
电解过程能够有效地将水分解成氢气和氧气。根据美国能源部（华盛顿特区，美国）报道，用于制氢的电解槽通常由阳极和阴极组成，并由电解液分隔开。通过一定的电位差，可以在阳极产生氧气，在阴极产生氢气。
碳腐蚀问题
在电催化水解过程中，由于析氧反应（OER），阳极会产生氧气。然而，与析氢反应（HER）相比，这是一个非常缓慢的反应。在这段时间差中，电解过程中产生的化学物质会腐蚀电极材料。因此，需要合适的电催化剂（以及保护电催化剂的涂层）来加快电解时间并在析氧反应阶段期间保护电极材料。
据研究人员介绍，由于环境问题日益严重，电化学能生成及转换领域最近受到了各界广泛的关注。因此，OER工艺在燃料电池和水电解槽等可再生能源技术的商业化进程方面将发挥着重要作用。
迄今为止，氧化钌（RuO2）和氧化铱（IrO2）经常被用作水电解过程中电极的涂层材料。然而，研究人员表示，大多数电解催化剂碳含量较高而金属含量较少，这将导致在OER期间具备更快的碳诱发腐蚀条件，导致电极材料的稳定性急剧降低以及一些可扩展性问题。
在之前的研究中，研究人员准备了来自不同前体的碳涂层金属，包括金属有机框架等“，Shanmugam说道：”我们检测了所获得的催化剂，它们含有更多的碳含量，而且碳元素覆盖了很多活性金属位点。此外，由于大量的碳腐蚀，这些催化剂对于水电解缓慢的OER来说是远远不够的“。
新型纳米尺度方法
为了解决这一问题，来自大邱庆北科学技术院和美国太平洋西北国家实验室的研究人员在镍泡沫上封装了一种电催化剂（这种催化剂是一种富含金属的、较薄的纳米碳层），以取代常用的贵金属阳极电极。
研究人员使用类普鲁士蓝物质后发现，当在惰性气氛中加热至600至900℃时，钴金属离子和有机配体会转化为钴金属和氮掺杂的薄碳石墨层。
薄碳层与钴金属有很强的相互作用，它只会导致较少的碳腐蚀，并且具有优异的电子运动能力。更多的钴金属会暴露于反应介质中有助于形成纳米尺寸形态，而且不会造成颗粒聚集现象”，Shanmugam说道。
在他们研究的测量值中，IrO2-阳极水电解槽在运行95小时后显示电池电压的损失达到了230mV（14％）。但是，若使用新方法，即使在350小时之后，电极电压的损失也仅为60mV（4％）。
Shanmugam解释说：“总体而言，新方法更利于产生氧气——薄而均匀的碳层提供了快速的电子运动，使得电解质渗透更加容易。最为重要的是，它可以保护活性金属位点免受腐蚀，而且暴露区域极少”。金属和碳层之间的强烈相互作用表现出协同效应，从而能够有效提高电极活性并减少碳氧化反应。
商业化进程
展望未来，Shanmugam预计这种技术的大规模商业化至少还需要一年左右的时间。
我们必须在更大尺寸的集电器上均匀涂覆这种催化剂，并且保证不会出现剥落现象“他说：”所以，我们需要找到最合适的涂层施加方法“。
此外，Shanmugam教授还认为，他们需要更多的后续研究来了解采用新方法时在表面发生的析氧反应的确切机制。
我们必须了解这些电催化剂上精确的OER机制以保持或避免由于不必要的副反应而导致催化剂活性损失”，Shanmugam说道。
在这项计划中，该研究团队的主要研究目标是使“绿色”以及可持续发展的氢能源的生产规模超过目前的市场规模。
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