這種薄碳涂層將有助于減少水電解過程中產生的碳腐蝕現象
2018-07-25 10:56:20
作者： Vince 來源： 腐蝕與防護
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水電解過程以及電子移動示意圖；圖片來源：韓國大邱慶北科學技術院。
來自韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）和美國太平洋西北國家實驗室（PNNL，美國華盛頓）的研究人員正在開發一種電催化劑用的薄型碳涂層，他們認為這種碳薄膜涂層將比水電解過程所用的傳統貴金屬陽極電極更加便宜。
研究人員還表示，他們研制的這種新型納米結構催化劑可以降低堿性水電解中經常出現的、由碳誘發的腐蝕的速率。
我們預計這將會是一種開發高金屬含量、低碳含量的復合納米結構的獨特方法。這些納米結構有效增強了金屬活性位點，并在催化劑表面形成薄碳層保護和超快的電子運動“，來自大邱慶北科學技術院能源科學和工程學領域的教授SangarajuShanmugam說道：”這還將提高電催化劑的電化學活性和穩定性。
電解過程能夠有效地將水分解成氫氣和氧氣。根據美國能源部（華盛頓特區，美國）報道，用于制氫的電解槽通常由陽極和陰極組成，并由電解液分隔開。通過一定的電位差，可以在陽極產生氧氣，在陰極產生氫氣。
碳腐蝕問題
在電催化水解過程中，由于析氧反應（OER），陽極會產生氧氣。然而，與析氫反應（HER）相比，這是一個非常緩慢的反應。在這段時間差中，電解過程中產生的化學物質會腐蝕電極材料。因此，需要合適的電催化劑（以及保護電催化劑的涂層）來加快電解時間并在析氧反應階段期間保護電極材料。
據研究人員介紹，由于環境問題日益嚴重，電化學能生成及轉換領域最近受到了各界廣泛的關注。因此，OER工藝在燃料電池和水電解槽等可再生能源技術的商業化進程方面將發揮著重要作用。
迄今為止，氧化釕（RuO2）和氧化銥（IrO2）經常被用作水電解過程中電極的涂層材料。然而，研究人員表示，大多數電解催化劑碳含量較高而金屬含量較少，這將導致在OER期間具備更快的碳誘發腐蝕條件，導致電極材料的穩定性急劇降低以及一些可擴展性問題。
在之前的研究中，研究人員準備了來自不同前體的碳涂層金屬，包括金屬有機框架等“，Shanmugam說道：”我們檢測了所獲得的催化劑，它們含有更多的碳含量，而且碳元素覆蓋了很多活性金屬位點。此外，由于大量的碳腐蝕，這些催化劑對于水電解緩慢的OER來說是遠遠不夠的“。
新型納米尺度方法
為了解決這一問題，來自大邱慶北科學技術院和美國太平洋西北國家實驗室的研究人員在鎳泡沫上封裝了一種電催化劑（這種催化劑是一種富含金屬的、較薄的納米碳層），以取代常用的貴金屬陽極電極。
研究人員使用類普魯士藍物質后發現，當在惰性氣氛中加熱至600至900℃時，鈷金屬離子和有機配體會轉化為鈷金屬和氮摻雜的薄碳石墨層。
薄碳層與鈷金屬有很強的相互作用，它只會導致較少的碳腐蝕，并且具有優異的電子運動能力。更多的鈷金屬會暴露于反應介質中有助于形成納米尺寸形態，而且不會造成顆粒聚集現象”，Shanmugam說道。
在他們研究的測量值中，IrO2-陽極水電解槽在運行95小時后顯示電池電壓的損失達到了230mV（14％）。但是，若使用新方法，即使在350小時之后，電極電壓的損失也僅為60mV（4％）。
Shanmugam解釋說：“總體而言，新方法更利于產生氧氣——薄而均勻的碳層提供了快速的電子運動，使得電解質滲透更加容易。最為重要的是，它可以保護活性金屬位點免受腐蝕，而且暴露區域極少”。金屬和碳層之間的強烈相互作用表現出協同效應，從而能夠有效提高電極活性并減少碳氧化反應。
商業化進程
展望未來，Shanmugam預計這種技術的大規模商業化至少還需要一年左右的時間。
我們必須在更大尺寸的集電器上均勻涂覆這種催化劑，并且保證不會出現剝落現象“他說：”所以，我們需要找到最合適的涂層施加方法“。
此外，Shanmugam教授還認為，他們需要更多的后續研究來了解采用新方法時在表面發生的析氧反應的確切機制。
我們必須了解這些電催化劑上精確的OER機制以保持或避免由于不必要的副反應而導致催化劑活性損失”，Shanmugam說道。
在這項計劃中，該研究團隊的主要研究目標是使“綠色”以及可持續發展的氫能源的生產規模超過目前的市場規模。
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責任編輯：韓鑫
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