氫經(jīng)濟(jì)與催化材料穩(wěn)定性

1970年，氫經(jīng)濟(jì)的概念開始出現(xiàn)。氫經(jīng)濟(jì)作為一種清潔、安全和可再生的新模式，已展現(xiàn)出比化石燃料更具發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)勢，其核心在于通過燃料電池釋放太陽能等能量。催化材料的穩(wěn)定性是評價其性能的關(guān)鍵指標(biāo)，而電解液環(huán)境對材料穩(wěn)定性的影響最為顯著——多數(shù)催化劑在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿條件下易被腐蝕。

穩(wěn)定性評價方法

電催化中通常采用兩種方法評估材料穩(wěn)定性：

• 循環(huán)伏安（CV）測試：在特定電壓區(qū)間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)CV掃描，若多次掃描后催化劑過電位變化較小，則表明材料穩(wěn)定性優(yōu)異。
• 恒電流/電壓測試：在電極兩端施加恒定電流/電壓，通過電化學(xué)工作站監(jiān)測電壓/電流隨時間的變化。變化幅度越小且持續(xù)時間越長，材料穩(wěn)定性越高。

電化學(xué)活性面積與活性位點(diǎn)

電化學(xué)活性面積（ECSA）用于衡量材料活性位點(diǎn)的數(shù)量，可通過雙電層電容計算得出。雙電層電容的測量方法包括：在非法拉第區(qū)間內(nèi)，測試電荷量與掃描速率的關(guān)系，或通過電化學(xué)阻抗譜進(jìn)行ECSA計算。需注意，ECSA僅反映活性位點(diǎn)數(shù)量，并非所有位點(diǎn)均能參與催化反應(yīng)。

傳統(tǒng)催化劑的局限性

傳統(tǒng)納米結(jié)構(gòu)催化劑存在以下問題：

• 需依賴聚合物粘合劑將納米材料附著于電極表面，導(dǎo)致電阻增大并覆蓋部分活性位點(diǎn)。
• 納米材料導(dǎo)電性不足，需額外添加碳黑增強(qiáng)導(dǎo)電性，但碳材料在高電壓下易氧化腐蝕，降低電極性能。
• 反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣泡可能剝離催化劑涂層，影響材料穩(wěn)定性。

自支撐與3D電極的優(yōu)勢

自支撐催化劑可有效規(guī)避上述問題，其三維化陣列結(jié)構(gòu)更利于電解液和氣體的傳輸。為提升電極性能，常采用增加負(fù)載量的策略，但傳統(tǒng)電極負(fù)載能力有限。因此，科研人員開發(fā)了石墨烯基、碳紙、碳布、泡沫金屬或金屬網(wǎng)格等多種3D電極材料，這些材料在電解水領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

多級多孔3D電極的必要性

當(dāng)前多數(shù)3D電極（如碳紙、泡沫鎳）因固定尺寸導(dǎo)致催化劑負(fù)載量受限，性能提升受阻，且缺乏宏觀多孔結(jié)構(gòu)會降低傳質(zhì)能力。因此，構(gòu)建具備多級多孔結(jié)構(gòu)的3D電極是解決這一問題的關(guān)鍵途徑。

上一篇：3D打印石墨烯電解水性能突破關(guān)鍵
下一篇：氫能曙光電解水制氫的技術(shù)突破與挑戰(zhàn)