由于目前商用電解水使用的催化劑存在成本較高,長期穩定性不好,所以研究開發高效,價格低廉的催化劑非常緊迫。而不銹鋼作為一種工業化產品,具有較多的優點,但直接作為水分解催化電極材料,其催化性能并不優異。本研究將其進行三種方式改性,可以獲得高效率、長穩定性、價格低廉的OER催化劑,是一種非常具有前途的工業氫大批量生產電極,能夠產生很好的社會經濟效益。

主要研究內容和結果:

1)選擇未處理的不銹鋼型號。首先簡單的研究了304316L兩種不銹鋼型號,不同的表面元素對其的影響,通過簡單的電化學性能進行篩選出具有較好催化性能的奧氏體304不銹鋼進行研究,作為后續催化電極改性材料的基底。

2)通過刻蝕改變不銹鋼表面的元素分布及其表面積進行改性。將不銹鋼進行改性,通過刻蝕的方法調節了不銹鋼表面的元素分布,降低鉻的含量,使得具有催化活性的鎳鐵元素暴露出來;同時表面積增加較少。在研究過程中發現其形貌變得粗糙多孔,電化學性能相比于SS有了明顯的提升,主要在于鉻元素的去除,以及更多的鎳的氧化物或氫氧化物的生成,從而獲得了較好的不銹鋼OER催化電極。但與非常優異的催化電極的催化活性相比還相差較大,后續將繼續采用其他改性方式進行了不銹鋼催化電極的改性。

3)進行雜原子摻雜改變不銹鋼OER催化性能。將304不銹鋼進行硒化,結合XRD、SEM、XPS、TEM、原位Raman,以及DFT計算等手段,研究了硒摻雜對于不銹鋼材料在OER反應中的影響。硒的摻雜調整了不銹鋼表面的元素組成,構建了高活性的位點和在電化學活化過程中大大增加了反應表面積,同時硒的摻雜降低了OER反應能壘。Se-SS催化劑在100 mA cm-2500mA cm-2的電流密度時具有較低的過電位,分別為264 mV290 mV,超過了目前開發的所有不銹鋼催化電極。在500mA cm-2的電流密度時連續96 h的穩定性測試,其過電位增加大約10 mV,具有較好的穩定性。這項工作為OER的電催化劑的大規模生產提供了一種非常具有成本效益的方法。

4)改變磷化工藝提高不銹鋼催化活性作為雙功能催化劑。目前研究者采用傳統低溫磷化方法提高催化劑性能,但采用傳統低溫磷化方法處理不銹鋼,所制備得到的催化電極效果不明顯,難以進行磷化,于是采用了真空封管的方法,改變了磷化工藝,使得表面易腐蝕。同時也研究了不同的磷化溫度和不同磷源對不銹鋼處理的影響,獲得了最佳的磷化溫度。在100 mA cm-2的電流密度時其OER過電位得到明顯提升,只需要260 mV,其HER性能過電位只需要325 mV,經過25 hOERHER的穩定性測試,具有較好的穩定性。經過改進磷化工藝,使得不銹鋼具有雙功能催化效果,為制備高效穩定難腐蝕的催化電極提供了一種很好的方法借鑒。

.創新點:

1)經過系統研究,將不銹鋼進行三個方面的改性,且得到了高效穩定低廉的不銹鋼催化電極。

2)經過實驗結合理論計算,系統的研究了硒摻雜對不銹鋼在OER反應中的催化機理。并為電催化中高度重建反應活性位點的結構演化增強機制提供了基礎的見解。

3)硒化不銹鋼這項工作為OER的電催化劑的大規模生產提供了一種非常具有成本效益的方法。

4)經過改變磷化工藝,采用真空封管方法進行磷化,很好的改變了不銹鋼催化劑的性能,為制備高效穩定的催化劑提供了一種借鑒方法。

展望:

后續研究工作可以從以下三個方面開展:

1)本文中硒化和磷化只是在堿性下的水中進行研究,可以進行擴寬,在不同的環境中進行電解,如中性酸性等,同時還可以嘗試海水的電解。

2)磷化工藝的改變對于磷化的影響在OER過程中的催化機理沒有進行細致研究,后續可以研究P的摻雜如何去影響反應中的催化性能。同時還可以進行雙摻雜如N-P共摻雜制備異質結的不銹鋼催化電極等。

3)可以將硒化不銹鋼和磷化不銹鋼制備成鋅空電池反應電極以及進行全解水的研究。