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光解水制氫的金屬有哪些-陽極氧化的鋼
發布時間：2022-11-02 瀏覽量：1912
一、研究背景：
人類社會對煤炭、石油、天然氣等傳統能源的需求量與日俱增。傳統能源消耗帶來的空氣污染和溫室效應，正在推動我們優化能源管理。電轉氣技術被認為是一種有效的能源管理策略，將多余的電能通過水的電解轉化為具有高能量密度的綠色能源――氫氣。然而，目前水電解電極材料十分昂貴，且效率低、不穩定，只有4%的氫是通過電解水產生的。因此，如何降低電解水生氫的成本是世界范圍內的新興課題。
二、研究工作簡單介紹
近日， 澳門大學潘暉教授，王雙鵬教授，聯合中南大學李瑞迪教授，福州大學湯育欣教授等人采用簡單、快速的陽極氧化方法處理3D 打印的Aermet 100 馬氏體鋼，制備了可以在大電流下穩定工作的高效堿性電解水雙功能催化劑，為提高工業綠色制氫提供了新思路。
僅通過3分鐘陽極氧化處理，形成的鋼基催化劑具有低過電位、高的電流密度及高電流密度下高穩定性等特點。在 3.18 V 的過電勢下即可實現 570 mA cm-2 的全解水電流密度，且穩定性超過 140 小時。進一步研究表明，相同方法得到的大尺寸的鋼可以在高達 20 A 的電流下正常工作，因而極具工業應用價值。
該文章發表在國際期刊Advanced Functional Materials上。澳門大學博士研究生周鵬飛、中南大學博士研究生牛朋達和上海光源劉吉山博士為本文第一作者。澳門大學潘暉教授、王雙鵬教授，中南大學李瑞迪教授和福州大學湯育欣教授為共同通訊作者。
三、核心內容表述部分
3.1 基礎性知識介紹
為了提高綠氫的市場占有率，研發高效、低價、穩定性好、可以大批量生產的電解水催化劑尤為重要。Aermet 100 馬氏體鋼，含有具有高效催化性能的Fe, Co, Ni等元素，且耐腐蝕性較差，進行表面處理后，可快速提高其催化活性，且該鋼價格低廉、可以大批量和大面積制備，有利降低工業成本。因此，本工作中采用3D打印制備的大尺寸Aermet 100 馬氏體鋼，發現經過在3.5%wt 的NaCl溶液中進行快速的陽極氧化處理，可以顯著提高其在大電流密度下的HER和OER性能和穩定性。最終實現在 3.18 V 過電勢條件下就能實現 570 mA cm-2 的全解水電流密度和超過 140 小時內的穩定性，并且大尺寸的鋼（90 mm × 90 mm × 3.5 mm）可以在高達 20 A 的電流下正常工作。
3.2 您是如何展開研究，達到實驗目的的？每一項表征的目的是要說明什么問題？
通過在3.5%wt 的NaCl溶液中快速陽極氧化（3min）處理其表面提高其催化活性。通過XRD，SEM，TEM， Raman 和XPS 等技術表征探討陽極氧化的過程。結果表明陽極氧化處理可以脫去Aermet 100 馬氏體鋼的表面的α’ 相，并在其表面形成由多金屬氧化物和羥基氧化物組成的催化活性層。原位拉曼表征揭示了其在堿性電解水過程中的機理，多金屬氧化物/羥基氧化物的協同作用，使其在大電流密度下具有顯著的堿性電解水性能（優異的HER， OER 和全解水性能）。
3.3 最終核心結論
我們提出陽極氧化的 3D 打印 AerMet100 馬氏體鋼可以作為一種高效的雙功能電催化劑。其制備成本低、可批量化生產且能在大電流下保持穩定、高效的工作，適應于工業生產中對水電解電極的要求。 通過簡單快速的陽極氧化，鋼基催化劑表現出優異的雙功能催化性能，在 OER、HER 和整體水分解中均表現出低過電勢、高電流密度以及在高電流密度下的超長穩定性。
重要的是，陽極氧化鋼可以在高達 20 A 的高電流下工作。我們認為，其優異性能來自于：（1）具有孔和層狀結構的無粘合劑自支撐結構。(2)多組分羥基氧化物，以鋼表面的氧化物為活性層。(3) 金屬的多價態。(4) 豐富的界面、O空位和缺陷。
我們的研究表明，通過修飾由有缺陷的多種金屬氧化物/氫氧化物組成的表面活性層，是一種實現高效鋼基電催化劑的有效策略，而基于此法實現的陽極氧化鋼在綠色制氫工業中具有巨大的實用化潛力。