304型不锈钢网基电分解水析氢、析氧催化电极——廉价、质优、性能拔群

【引言】

随着近年来化石能源的日益消耗以及环境问题的逐渐恶化，能源危机迫在眉睫，新型可持续能源的需求也与日俱增。而电催化分解水产生氢气能源的技术有望带领人类走出这一困境的有效途径之一。但是，由于电催化分解水活性电极多为贵金属或贵金属氧化物（如析氢催化电极铂和析氧催化电极二氧化铱），因而其居高不下的造价成本成为阻碍这一新兴技术大规模应用的拦路虎。如何在保证电极材料具备高性能的前提下，采用其他低廉的活性电极是当下电分解水能源转化领域的研究热点之一。

2017年7月6日，中山大学纪红兵教授和童叶翔教授（共同通讯）课题组合作在Advanced Materials上发表了一篇题为“Cost-Effective Alkaline Water Electrolysis Based onNitrogen- and Phosphorus-Doped Self-Supportive Electrocatalysts”的论文，为电解水领域展示了一种以廉价的不锈钢网衍生出的能够在碱性条件下高效分解水的电极材料。研究人员通过将普通商用的304型柔性不锈钢网进行酸腐蚀剥离并在高温利用氨气以及磷化氢气体活化处理，分别制备出了性能媲美金属铂和氧化铱电极性能的阳极和阴极电极。这种电极具有以下优点：

（1）成本低廉：304型柔性不锈钢网每平方米售价40美元，而其他常用的非贵金属替代电极材料如镍网每平方米100美元，碳布每平方米875美元。金属铂和二氧化铱就更加昂贵得多。

（2）活性优异：得益于表面的腐蚀剥离增加的活性比表面积以及高温氨气或磷化氢气体的烧灼引入的氮或磷原子，制备的氮掺杂活化电极析氢活性与金属铂相近，磷掺杂活化电极析氧活性较二氧化铱高。电解水整体体系性能比传统组合金属铂-二氧化铱系统的超电势还要小。

（3）性能稳定：整个体系将近6天不间断工作时间之内性能未观察到任何衰减。

【图文导读】

（图片来自文章作者）

图一：阳极不锈钢网的处理方法示意图及处理前后不锈钢网的形貌、组成分析

（a）阳极不锈钢网的水热剥离以及氮掺杂处理方法示意图；SS：未处理的不锈钢网，ESS：剥离腐蚀后的不锈钢网，NESS：氮掺杂及剥离腐蚀后的不锈钢网

（b-c）处理前、后的扫描电镜图（SEM）；经过处理后，在不锈钢网纤维表面变得粗糙，且出现细微的纳米颗粒。因此处理后不锈钢网比表面积的增大，使得活性位点的增多；

（d）能谱元素分布图；经过氮化处理后，在不锈钢电极内部引入N原子。

图二：处理后电极的物相组成及元素价态分析

（a）处理后电极的X射线衍射图（XRD）；由图中峰位置及强度的偏移，能够看出经过剥离和氮掺杂后，不锈钢电极的晶型结构发生了改变。

（b-d）处理后电极的X射线电子能谱（XPS）分析图；经过处理后，在不锈钢材料中观测到了吡啶氮和吡咯氮两种氮组成的存在。其中吡啶氮被报道有催化分解水的活性。同时，Fe元素和Cr元素（二者均是不锈钢网的组成元素）向低价位置偏移，证明了低价金属的产生。

图三：阳极不锈钢网的电化学性能表征分析。

（a-c）各样品的线扫曲线、塔菲尔曲线测试以及奈奎斯特（Nyquist）曲线；其中处理后的阳极不锈钢网展现出优异的析氧性能和电学性能；IrO₂-CC：附着在碳布上的二氧化铱，对照组

（d）稳定性测试中氧气产量和电流测试图；

（e）恒电位（6天）和恒电流（5.6天）条件下电极的稳定性性能；

（f-i）长时间稳定性测试后的材料晶型形貌结构以及元素价态的分析表征；经过稳定性性能测试后，电极材料的形貌和元素价态几乎未发生任何改变。

图四：阴极不锈钢电极的制备和表征

（a）阴极不锈钢网的氮、磷掺杂处理方法示意图；NESSP：氮和磷双掺杂的剥离腐蚀不锈钢网

（b-d）经过磷掺杂后电极材料的XRD以及XPS表征测试图；在进行磷原子的掺杂引入过程中，发现了FeP组分的存在，XPS也对Fe-P的存在进行了进一步的证明。

（e-g）各对照样品及处理样品的电学性能表征：线扫曲线、塔菲尔曲线测试；SS：未处理的型不锈钢网；SSP：仅磷掺杂的未剥离不锈钢网，Pt-mesh：金属铂网，对照组。

（h-i）阴极不锈钢电极稳定性测试。

图五：不锈钢阴极、阳极组合电分解水能源转化装置性能

（a-c）装置示意图及线扫曲线；

（d）各样品关键催化性能指标对比；处理后的不锈钢电分解水能源转化装置性能极其优异，在高电流条件下，甚至比贵金属系统具有更小的过电位。

（e-f）5.6天的装置稳定性测试。

【结论】

本文报道了一种以304型不锈钢网为原材料，制备具有高比表面积和氮或磷原子掺杂的电分解水催化电极的方法。该工作系统地研究了剥离腐蚀以及氮、磷原子的存在对样品电化学析氢析氧性能所造成的影响，并对其中各样品的物相组成进行了深入的分析，从而成功的设计组装出了具备媲美贵金属或贵金属氧化物的能的电分解水能源转化装置。所制备的电极同时具有价格低廉，性能稳定的特点。本工作可为电分解水研究领域的科研工作者参考，推进电解水能源转化技术的应用。

【文章链接】

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

【通讯作者简介】

纪红兵教授：http://ce.sysu.edu.cn//Item/7898.aspx

工学博士，中山大学化学与化学工程学院教授，博士生导师，长江学者，国家杰出青年科学基金获得者，科技部中青年科技创新领军人才，广东省“珠江学者”特聘教授，中山大学精细化工研究院院长、中山大学惠州研究院院长。研究方向为环境友好的催化过程(多/均相催化、仿生催化和环境催化)，精细化工、天然精细化学品的分离与合成，绿色化工过程，化工园区管理。

童叶翔教授：http://ce.sysu.edu.cn//Item/7921.aspx

中山大学化学学院教授，博士生导师。兼任广东省表面工程协会理事和广州市电镀协会理事，中国化学会化学教育委员会委员，《大学化学》编委，广东省稀土协会理事，中国有色金属学会冶金物理化学学术委员会委员，中国化学会电化学专业委员会委员，广东省化学会秘书长。目前主要研究方向为纳米能源材料与新能源器件，主要包括纳米过渡金属氧化物、纳米半导体材料、光催化和电催化材料、光电化学、超级电容器和锂离子电池等。

本导读由论文作者课题组李明阳供稿，材料人特邀编辑刘田宇编辑审阅后发表。