叶明新教授、沈剑锋教授、郭艳辉副教授， AFM：大电流电解水用一体化三维疏气电极- 大数跨境

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叶明新教授、沈剑锋教授、郭艳辉副教授， AFM：大电流电解水用一体化三维疏气电极

科学材料站

2021-10-11

导读：本文采用高分子泡沫为基底材料，通过化学镀的方法均匀负载催化剂制备得到Ni-Mo-B三维电极。利用这种方法能够制备任意形状、尺寸的三维泡沫电极。

文章信息

用于大电流水分解的整体式Ni-Mo-B双功能电极

第一作者：刘惠祥

通讯作者：叶明新*，郭艳辉*，沈剑锋*

单位：复旦大学

研究背景

筛选和开发高效电极是大规模工业水分解的关键。实际工业电极应满足具有高活性、稳定的物理结构，耐受大电流和快速转移气泡等特性。现代工业水分解需要能够在大电流密度（>400 mA cm^-2）下工作的电极。

尽管目前在低电流密度下高效电极发展迅速，但用于高速水裂解的实用电极仍然有限。低速（数十mA cm^-2）和高速（数百或数千mA cm^-2）水分解之间最显著的区别是反应过程中产生的气泡数量。在高电流密度下，气泡聚集在电极表面，会阻碍液体反应物的接近，降低有效活性位点数，甚至破坏催化剂。因此，能够在高速水分解过程中保持高效率的电极应具备快速去除气泡的能力。

此外，直接使用风能潮汐能和太阳能等新能源用于电解水，受到广泛关注。但这些间隙性能源作为电源时将导致输出电压不稳定。因此，迫切需要一种在大电压范围内具有稳定催化性能的电极，以直接耦合这些间歇性能源供给。

文章简介

基于此，复旦大学的叶明新教授，沈剑锋教授和郭艳辉副教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Monolithic Ni-Mo-B Bifunctional Electrode for Large Current Water Splitting”的论文。

不同策略电极的示意图以及性能雷达图：粘附性电极，自支撑电极和一体化电极

文章要点

要点一：制备方式简单，成本低，有望大规模制备

采用高分子泡沫为基底材料，通过化学镀的方法均匀负载催化剂制备得到Ni-Mo-B三维电极。利用这种方法能够制备任意形状、尺寸的三维泡沫电极。

Ni-Mo-B电极制备示意图

要点二：优异的机械性能

通过退火处理将非晶态Ni-Mo-B电极部分转变为多晶结构。高强度结晶相的生成与Mo原子在多晶界和亚晶界上的偏析弛豫等作用，增强了材料的硬度。这种特殊的高强度空心泡沫结构为其在苛刻环境下稳定工作提供了保障。

Ni-Mo-B电极构建演变过程SEM图及材料多晶结构

要点三：催化性能优异，大电流稳定性能优良

在1.0 M KOH中，该电极在50 mA cm-2的电流密度下，HER的过电位仅为68 mV，OER的过电位为293 mV；同时，该电极在5 A cm-2的大电流密度下也具有良好的稳定性。

Ni-Mo-B电极的电解水性能示意图

要点四：优良的超疏气特性

Ni-Mo-B结构具有较小的气体传质阻力，能快速释放生成的气体，这对实际应用非常重要。在水分解过程中，在电解液和电极之间的界面上产生气泡（H2或O2）。

界面上气泡的聚集可能屏蔽电极的活性位点，从而降低催化效率。因此，需要对电极的结构进行良好的设计，以在大电流密度下获得更好的性能。气体和溶液的润湿行为表明，Ni-Mo-B具有超亲水性和超疏气性，这与泡沫镍截然不同。Ni-Mo-B 电极的气泡接触角达到158o，表明Ni-Mo-B 电极具有显著的疏气性。

根据Cassie-Baxter和Wenzel方程，该电极的润湿性可能得益于其在微尺度和纳米尺度上的独特粗糙表面结构，这可以有效减少气泡和电极之间的接触区域。此外，泡沫内的通道还可为气体产品提供额外的排气通道，从而进一步促进水分解期间电极的气体输出。