重庆大学Nano Research：基于磁场定向和冷冻铸造的高效析氢电极

第一作者：张宇奇

通讯作者：崔文智*

单位：重庆大学

高效电极通常采用多孔结构来提高比表面积，如商业泡沫镍电极。然而，实现比表面积和气泡传输阻力之间的平衡是具有挑战性的。孔径较小的泡沫镍会阻碍气泡的传递，而孔径较大的泡沫镍则会减少电极的活性面积。采用冷冻铸造法制备的定向多孔电极具有双孔径，大孔从电极内部直通电极表面，为气泡传输提供了快速通道；小孔位于大孔的壁面，为反应提供了充足的活性位点。为了进一步降低气泡传输阻力，我们将磁场定向与冷冻铸造法相结合，采用二维片状镍粉制备了双定向多孔电极(D-APE)，比较了不同制备方法对电极析氢性能的影响，并探讨了磁场定向提高电极析氢性能的机理。

近日，来自重庆大学的崔文智教授团队在Nano Research上发表题为“Dual-aligned porous electrodes for enhanced hydrogen evolution in alkaline water electrolysis”的文章。该文章采用磁场定向与冷冻铸造法相结合的双定向法制备了一种双定向多孔电极，该电极结构有效提高了电极的析氢性能。

由于磁场对片状镍粉的定向作用，双定向法相比冷冻铸造法制备的电极致密层更薄、片层区域能更早形成。此外，在冰晶快速生长的致密层中镍粉迅速被冰晶包裹，基本保持了冻结前的排列方向，这使得双定向多孔电极（D-APE）的致密层也具有一定的取向度。由于以上两种原因，D-APE使得材料充分暴露于电解液，提高了电极材料的利用率，增加了电化学活性表面积（ECSA），如图2所示。

图3为各电极的极化曲线，T4-E是用普通蒸发法制备的电极，作为对照组。相比之下，采用磁场定向蒸发法制备的T4-M-E电极析氢性能得到了改善，但仍然不及冷冻铸造法制备的定向多孔电极T4-F。而双定向多孔电极（D-APE）显示出比T4-F更好的析氢性能，并且随着磁场定向时间从30分钟（T4-D-A30）增加到60分钟（T4-D-A60），其性能进一步提高。

图4为各电极相对于T4-E的ECSA和j_ECSA的增长率。与T4-E相比，其他电极的ECSA增加幅度从4.2%到49.5%，而j_ECSA增加幅度则从26.5%到91.2%。jECSA的显著增加表明电极的活性位点上的析氢强度明显提高。电极结构的变化使其j_ECSA明显变化，如电极由致密结构（T4-M-E）变为定向结构（T4-F）时，其j_ECSA增加显著。而电极结构相似，即便其ECSA大幅度增加，如T4-D-A30至T4-D-A60，其j_ECSA变化也不明显。这表明电极孔隙结构的改变是影响其性能的主要因素。

为进一步研究磁场定向对电极性能的影响，我们还制备了厚度为600μm的电极T6-F、T6-D-A30和T6-D-A60，表1总结了六种定向多孔电极的部分参数。对比可知，电极厚度增加至600 μm后，电极的Tafel斜率略有增加，表明增加厚度会对反应动力学产生轻微负面影响。ECSA随电极厚度增加而增加，在小电流密度下时，过电位随ECSA的增加而降低。然而，随着电流密度的增加，这一趋势发生了变化。在300 mA/cm²的电流密度下，T6-F（254 mV）的过电位仍然低于T4-F（259 mV），而T6-D-A30（249 mV）的过电位几乎与T4-D-A30（250 mV）相同，而T6-D-A60（243 mV）的过电位甚至高于T4-D-A60（240 mV）。这些结果表明，在高电流密度条件下，使用双定向法制备的电极在较小厚度下表现更好。

为分析双定向方法制备电极的析氢性能增强的原因，我们定义了气泡去除能力评估参数φ。若φ>1，说明气泡对反应的影响随着电流密度的增大而增大，即电极的气泡去除能力较差。反之，若φ<1，则电极的气泡去除能力较强。图5展示了每个定向多孔电极的φ值。值得注意的是，600 μm厚的电极φ值高于使用相同方法制备的400 μm厚的电极，表明增加电极厚度会增加气泡在电极内的传输阻力。对于相同厚度的电极，随着磁场定向时间增加，其气泡去除能力先减小后增加。

这是由于磁场定向过程显著增加了电极层状区域的厚度，且在j_ECSA相同的情况下双定向电极单个孔隙中产生的气泡体积更大，这导致气泡输运阻力较高。随着磁场定向时间的增加，层状区域的厚度不再显著增加，额外的磁场定向主要导致孔隙壁面粗糙度减小，从而降低了气泡与壁面之间的阻力。这种阻力的减小超过了由于层状区域厚度增加而带来的阻力，从而总体上降低了气泡输运阻力。

Dual-aligned porous electrodes for enhanced hydrogen evolution in alkaline water electrolysis

崔文智，重庆大学教授，博士生导师，主要从事能源与动力工程领域的研究和教学工作，先后承担并完成多项国家、省部级及横向课题，在国际国内学术期刊、会议发表和交流研究论文50余篇。个人主页：http://cte.cqu.edu.cn/szdw/jslb/cwz.htm

张宇奇，重庆大学能源与动力工程博士研究生，主要从事析氢电极的电极结构优化与气泡运动特性研究。