碳氫電極指的是原材料由碳和氫構成的電極，多用於化學燃料電池領域。
基本介紹
- 中文名：碳氫電極
- 套用領域：化學，能源領域
研究背景,碳氫電極材料的發展歷史及現狀,碳氫電極的展望,
研究背景
制氫的方法有電解水制氫、生物制氫、光催化制氫和化石燃料（石油、煤和天然氣）制氫等。化石燃料制氫過程中會產生二氧化碳等溫室氣體，同時還產生大量餘熱，無法充分利用，造成能源浪費。生物制氫和光催化制氫效率低、成本高，不利於工業化生產。相對於其他制氫方法，電解水制氫具有成本低廉、操作簡單和無污染等優點，可以實現電能向化學能轉換，在用電低谷期可將大量剩餘電能轉換為化學能，同時得到的氫氣可以廣泛套用於高能燃料、燃料電池、合成氨工業等。電解時陽極過電位和陰極過電位會引起高能耗，增加制氫成本。形穩陽極（DSA）的使用已大大降低了陽極過電位，因此，尋找具有活性高、價格低、穩定性好的陰極析氫電極材料就迫在眉睫。
析氫電極的製備方法主要有電沉積法、化學還原法、離子濺射法、高溫燒結法、金屬粉末燒結法、聚四氟乙烯粘接法等。與其他方法相比，電沉積法因具有操作簡單、成本低、鍍層均勻、厚度易控、製成的電極穩定性好等優點而備受關注。
碳氫電極材料的發展歷史及現狀
Pt、Pd等貴金屬及其合金具有優異的電催化活性，但是貴金屬價格昂貴，不能在工業生產中大規模使用。因此，尋找低析氫過電位、高催化活性的析氫電極材料具有重要的意義。發現除了Pt、Pd等貴金屬，過渡金屬大都具有較高的電流密度，尤其是鎳，不僅來源廣泛、價格低廉，而且在鹼性溶液中性質穩定，自然成為人們研究析氫電極的首選材料。為了增大電極的比表面積，人們將鎳與鋅或鋁共沉積到基底電極上，再在濃鹼溶液中溶出鋅或鋁得到多孔Raney－Ni。Tanaka等研究了70℃時Raney－Ni複合電極在1．0mol/L NaOH 水溶液中的析氫反應，其真實表面積比光亮鎳的表面積高約2～3個數量級，析氫速率明顯提高，電極的電化學活性得到改善。Birry等在Raney－Ni電極的基礎上製備得到Raney Ni－Mo活性析氫電極，其析氫過電位比Raney－Ni電極低而且電化學穩定性好。但是，基於Raney－Ni的電極抗逆電流氧化能力較差，長時間斷電情況下鍍層內催化組分會氧化溶解，這樣大大限制了Raney－Ni的大規模工業套用。Brewer－Engel價鍵理論表明，過渡金屬合金對陰極的催化析氫反應具有一定的作用，其中，具有空的或半空d軌道的過渡金屬與具有成對d電子的過渡金屬形成合金，將產生協同效應，有利於析氫反應的進行。通過對鎳/金屬、鎳/非金屬、鎳/稀土、鎳/導電聚合物等體系的研究，得到了多種具有高析氫性能的電極。
鎳/金屬合金主要分為二元合金和三元合金。二元合金主要包括Ni－Mo、Ni－Zn、Ni－Co、Ni－W、Ni－Fe、Ni－Cr等。三元合金主要包括Ni－Mo－Fe、Ni－Mo－Cu、Ni－Co－Zn、Ni－Mo－Co、Ni－Mo－W 等。隨著鎳與金屬合金的多元化，複合電極的析氫性能和穩定性都有顯著提高，各金屬之間的協同作用增強了電極的析氫性能，特別是金屬與非金屬之間的多元合金的研究為今後析氫電極的發展提供了方向。
碳氫電極的展望
非晶態和納米晶合金具有較高的催化活性，但是這些材料的晶界處於熱力學亞穩態，在適當的外界條件下將向較穩定的亞穩態或穩態轉變，造成固溶脫溶、晶粒長大或相變。非晶和納米晶材料一旦發生晶粒長大，即轉變為常規粗晶材料，失去其優異性能。多元複合電極雖具有較高析氫活性，但是在工業生產中活性成分容易氧化溶出，需要在製備時添加一些儲氫合金。同時，具有高比表面積和利於氫氣泡擴散的三維結構多孔材料也是今後析氫電極發展的重要方向。以下為析氫電極發展的幾點展望：1）通過摻雜和表面修飾等手段改善具有高催化活性的非晶態和納米晶態電極的內部結構和表面性能，提高電極晶界轉變溫度，增強電極的穩定性。2）鎳基合金具有較高的電催化活性，但是在開路電位下容易氧化失活，因此，製備活性高、電化學穩定性好、壽命長、抗腐蝕的多元合金電極將是今後析氫電極的一個重要方向。3）在選用適當的合金材料的前提下，設計和最佳化材料的表面形態和表面結構對獲得具有優異電化學性能的電極具有重要的意義。若能綜合非晶、納米晶和多元複合電極的優異性能，獲得三者混合態的電極材料，並提出相應的析氫機理，將是電極材料研究的一個重要發展方向。
