泡沫镍析氢电极应用进展

左 姗，邹 震，陈少娜

(三峡大学 材料与化工学院，湖北 宜昌 443002)

21世纪能源问题是一个急需解决的难题，越来越多的人尝试利用新能源来弥补空缺。氢能源因其清洁、高效等特点在近些年发展迅速。制造氢能源的方法多数来源于电解水，电解材料的性能极大程度上影响了电解水的能力，因此电催化材料的研究和改进具有十分现实的意义。在泡沫电极还未发展之前，人们大多都是用普通金属作为电极进行析氢，而Pt是公认的析氢效果最好的金属，但是由于其昂贵的价格，并未能广泛运用于电解水工艺，而其次较为突出的是镍，高鹏等人[1]研究了碱性环境中镍电极的析氢机理，得出了较为清晰的反应历程。常规金属之后，多孔金属因其表面积大等一系列优越性能被大量运用到析氢工艺中。而泡沫金属则是进一步发展了多孔金属的物理优越性，并且因其易负载其他金属这一突出特点，被逐渐运用到电解水中。鉴于镍元素价格合理，并且析氢能力较好，其析氢能力相对于普通镍提高了很多，并且因为镍元素的延伸性较好，负载能力较强，而且制成的电极材料性能稳定，逐渐形成了泡沫镍基电极的体系。Sa Lv[2]等人研究了在泡沫镍基上负载氢氧化镍并成功提升了镍基的析氢能力。而国内很多学者则是着重研究了一元金属、二元金属等合金泡沫镍基(NF)电极，发现Mo、Fe、Co等与镍元素本身性质较为接近的金属对镍基有很好的促进作用[3-4]，并研究了这些元素之间的相互作用甚至深入到了电子结构等，从微观层面说明了影响原因。如今泡沫电极的发展十分迅速，拥有较大的表面积和负载能力，节省了许多负载的空间。并且这些材料相比于Pt等十分便宜，将泡沫镍基材料大量运用于电解水工艺中有了大大的可能，十分具有现实意义。

1 泡沫镍负载一元物质作为析氢电极

通过浸渍沉积法制备的Pt/NF电极[5]的SEM图如图1所示，与一般材料不同，Pt纳米粒子没有负载在孔的内部而是均匀地负载在NF电极的表面，可以看出Pt纳米粒子的直径大约200～500 nm。电极的表面相较之下更加粗糙，增大了其比表面积，便有利于提高电极的析氢催化活性。泡沫镍负载Mo的合金电极如图2所示，表面存在大量裂纹，电镀Ni-Mo合金[6]时产生大量的氢气导致这些裂纹的产生。而在长时间电解过程中，由于氢气剧烈析出，这些裂纹容易导致镀层脱落，从而使电极活性降低。由于Ni-Mo合金镀层的纳米晶结构，且表面存在大量的小突起，Ni-Mo合金才具有较高的真实表面积。采用电沉积法制备的Fe/NF电极[7]也可以显著提高电极的析氢催化活性，大量的Fe纳米粒子沉积在光滑的泡沫镍电极表面，可以使电极的表面更加粗糙，有效增大比表面积，从而提高了电极的析氢催化活性。泡沫镍表面沉积铜膜[8]，泡沫镍表面沉积金属铜不仅没有促进催化析氢作用，相反抑制了泡沫镍的析氢性能。吴梅等人[9]制备的Ni-WC/Ni电极析氢电极的极化电流比泡沫Ni电极平均大50 mA/cm2以上。

图1 Pt/NF电极SEM图

图2 Ni-Mo合金电极50倍SEM图

2 泡沫镍负载二元物质作为析氢电极

泡沫镍负载Ni-Mo制备复合电极[10-11]，大量的Ni-Mo小颗粒突起存在于复合电极的金属大颗粒上，这些小突起大幅增加了复合电极的比表面积。与Ni-Mo合金电极比较，在电流密度200 mA/cm2时，复合电极析氢过电位比Ni-Mo合金低50 mV左右，说明具有活性表层的复合电极活性比相应的合金高。通过电沉积方法制备泡沫镍负载Cu-Co电极，与单金属层电极相比，获得的NF/Cu0.01/Co0.05表面复合层电极表现出更好的析氢活性和稳定性，其获得的粗糙表面以及钴外层和铜内层之间的协同作用下，其产生的析氢电流是泡沫镍的2.82倍，就有较高的使用价值[8,12]。运用电沉积法+浸渍沉积法制备复合材料Pt-Fe/NF电极[13]，Pt-Fe/NF电极表面在Fe/NF和Pt/NF电极表面基础上纳米粒子更加紧密，该电极相对于Fe/NF和Pt/NF电极具有更大的比表面积，提高了复合催化剂的析氢性能。然而，Pt-Fe/NF电极在酸性溶液中稳定性不好。

3 泡沫镍负载三元物质作为析氢电极

在Ni-Mo-Fe合金中加入了稀土元素La[14-15]后，新镀层表面的颗粒较之前的镀层相比更细致和平整光滑，致密性有了提高，从而降低了表面能，使得金属离子更好地吸附在基体表面，对于合金的成核而言得到很好的催化中心，提高了形核率并且细化了晶粒，提高了新镀层的真实表面积。稀土元素La的加入增大了镀层的真实表面积，引入稀土元素La明显提高了电极的析氢能力。

4 总结

近年来泡沫镍基电极发展十分迅速，本文对制备成熟并且大量使用的泡沫镍基材料进行总结，分析不同的负载物对析氢能力的影响。随着负载物的增加，相互作用越发复杂，多元负载物对镍基的性能有大大的促进作用，在今后的研究中可以多进行元素之间的结构探究，将非金属元素，过度元素等相互有促进作用的负载到镍基上，进一步提高其析氢能力。