由于目前商用电解水使用的催化剂存在成本较高,长期稳定性不好,所以研究开发高效,价格低廉的催化剂非常紧迫。而不锈钢作为一种工业化产品,具有较多的优点,但直接作为水分解催化电极材料,其催化性能并不优异。本研究将其进行三种方式改性,可以获得高效率、长稳定性、价格低廉的OER催化剂,是一种非常具有前途的工业氢大批量生产电极,能够产生很好的社会经济效益。

主要研究内容和结果:

1)选择未处理的不锈钢型号。首先简单的研究了304316L两种不锈钢型号,不同的表面元素对其的影响,通过简单的电化学性能进行筛选出具有较好催化性能的奥氏体304不锈钢进行研究,作为后续催化电极改性材料的基底。

2)通过刻蚀改变不锈钢表面的元素分布及其表面积进行改性。将不锈钢进行改性,通过刻蚀的方法调节了不锈钢表面的元素分布,降低铬的含量,使得具有催化活性的镍铁元素暴露出来;同时表面积增加较少。在研究过程中发现其形貌变得粗糙多孔,电化学性能相比于SS有了明显的提升,主要在于铬元素的去除,以及更多的镍的氧化物或氢氧化物的生成,从而获得了较好的不锈钢OER催化电极。但与非常优异的催化电极的催化活性相比还相差较大,后续将继续采用其他改性方式进行了不锈钢催化电极的改性。

3)进行杂原子掺杂改变不锈钢OER催化性能。将304不锈钢进行硒化,结合XRDSEMXPSTEM、原位Raman,以及DFT计算等手段,研究了硒掺杂对于不锈钢材料在OER反应中的影响。硒的掺杂调整了不锈钢表面的元素组成,构建了高活性的位点和在电化学活化过程中大大增加了反应表面积,同时硒的掺杂降低了OER反应能垒。Se-SS催化剂在100 mA cm-2500mA cm-2的电流密度时具有较低的过电位,分别为264 mV290 mV,超过了目前开发的所有不锈钢催化电极。在500mA cm-2的电流密度时连续96 h的稳定性测试,其过电位增加大约10 mV,具有较好的稳定性。这项工作为OER的电催化剂的大规模生产提供了一种非常具有成本效益的方法。

4)改变磷化工艺提高不锈钢催化活性作为双功能催化剂。目前研究者采用传统低温磷化方法提高催化剂性能,但采用传统低温磷化方法处理不锈钢,所制备得到的催化电极效果不明显,难以进行磷化,于是采用了真空封管的方法,改变了磷化工艺,使得表面易腐蚀。同时也研究了不同的磷化温度和不同磷源对不锈钢处理的影响,获得了最佳的磷化温度。在100 mA cm-2的电流密度时其OER过电位得到明显提升,只需要260 mV,其HER性能过电位只需要325 mV,经过25 hOERHER的稳定性测试,具有较好的稳定性。经过改进磷化工艺,使得不锈钢具有双功能催化效果,为制备高效稳定难腐蚀的催化电极提供了一种很好的方法借鉴。

.创新点:

1)经过系统研究,将不锈钢进行三个方面的改性,且得到了高效稳定低廉的不锈钢催化电极。

2)经过实验结合理论计算,系统的研究了硒掺杂对不锈钢在OER反应中的催化机理。并为电催化中高度重建反应活性位点的结构演化增强机制提供了基础的见解。

3)硒化不锈钢这项工作为OER的电催化剂的大规模生产提供了一种非常具有成本效益的方法。

4)经过改变磷化工艺,采用真空封管方法进行磷化,很好的改变了不锈钢催化剂的性能,为制备高效稳定的催化剂提供了一种借鉴方法。

展望:

后续研究工作可以从以下三个方面开展:

1)本文中硒化和磷化只是在碱性下的水中进行研究,可以进行扩宽,在不同的环境中进行电解,如中性酸性等,同时还可以尝试海水的电解。

2)磷化工艺的改变对于磷化的影响在OER过程中的催化机理没有进行细致研究,后续可以研究P的掺杂如何去影响反应中的催化性能。同时还可以进行双掺杂如N-P共掺杂制备异质结的不锈钢催化电极等。

3)可以将硒化不锈钢和磷化不锈钢制备成锌空电池反应电极以及进行全解水的研究。