镍基底碱性析氢电极构建及其产氢性能强化研究

• 作 者: 杨滢睿
• 机 构: 重庆大学
• 出 处: 重庆大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 镍基底 碱性电解水 析氢 电极构建 产氢性能 电解水制氢 活性位点 阴极 气泡脱离 孔结构 HER 电流密度

电解水制氢是可将多余的可再生能源（如弃风、弃光等）转换为清洁的氢能的理想技术之一。最为常见的电解水制氢技术包括碱性电解水制氢、质子交换膜电解水制氢以及高温固体氧化物电解水制氢三种。相比而言，碱性电解水制氢技术较为成熟，生产成本较低，使用寿命长，更为适合大规模商业化应用。然而，在碱性电解水制氢过程中，析氢（Hydrogen evolution reaction，HER）阴极所产生的氢气气泡往往无法及时脱离电极。这将会导致电极有效反应面积减少、底物与产物传输受限、电解池欧姆损失增加，从而限制电极产氢性能。其主要原因之一是目前仍缺乏具备利于气泡脱离的电极结构。因此，本文选择廉价且来源广泛的镍金属作为导电基底材料，构建了具有不同结构特性的镍基HER阴极，通过强化HER阴极的气泡传输过程以提升电极产氢性能。主要研究内容以及研究结果如下：
　　（1）针对HER阴极普遍存在的气泡在电极表面滞留所导致的催化剂活性位点屏蔽问题，本文构建了具有液膜结构的旋转圆盘HER阴极（LFE）。研究结果表明，LFE在旋转时产生的剪切力作用强化了电极表面气泡的脱离；同时，LFE特殊的半浸没结构缩短了气泡在液相的滞留时间，降低了体系的欧姆内阻，使得LFE的HER效率更高。上述两个因素综合作用大幅提升了电极产氢性能。当电流密度为10mAcm-2时，LFE的过电位为137mV，比全浸没式电极（NLFE）低21mV。
　　（2）本文还采用不同PPI的泡沫镍为导电基底材料，通过“层叠”挤压以及水热的方法，构建了具有梯度孔结构的HER阴极。实验结果表明，采用中间大、两侧小孔隙的梯度孔SML-LMS-HE电极可加快电极的气泡脱离，有利于电极活性位点的充分暴露以及产氢性能的有效提升。因此，当电流密度为10mA cm-2时，SML-LMS-HE电极的过电位为83mV，比均匀孔MMM-MMM-HE电极低36mV。
　　（3）为避免泡沫镍基HER阴极中电极结构内部结构交错、相互遮挡所导致的气泡脱离困难问题，本文还采用微米级镍金属丝构建了具有“开放式”孔结构的镍丝刷基HER阴极（NFB）。实验结果表明，NFB电极具有更多的活性位点数量，同时由于其“开放式”的孔结构加快了电极的气泡脱离速率，使得NFB电极活性位点利用率增加。上述两方面的优势使得NFB电极参与HER反应的“有效”活性位点数量大幅提升，从而获得了优异的产氢性能。当电流密度为100mAcm-2时，NFB电极的过电位为191mV，比商业泡沫镍基HER阴极（NF3）低84mV。