自支撑电极电解水制氢应用研究进展

背景介绍氢能是一种清洁、环保的可再生资源，以其具有较高的燃烧热值和燃烧产物为水等特点而成为取代传统化石燃料的最佳选择，采用绿色清洁的电解水制取氢气成为科研人员关注热点。传统碱性电解水技术中催化剂层多以催化剂浆液滴涂并与粘合剂粘连在电极表面，对三相界面的扩散造成一定的影响，然而，自支撑导电基底可以避免上述问题，活性层与导电基底无缝接触实现了快速的电荷转移，从而提供了高活性电解水催化剂的集成式合成策略。本文亮点1从工业级大电流水电解三相反应界面构筑角度出发，从两个方面提出工业生产背景下电极催化材料的改进策略：（1）进行配体修饰改善催化剂表面亲水特性；（2）设计电极表面纳米催化剂材料阵列化从而提高催化剂表面的粗糙度；2归纳了近年来制备自支撑纳米催化材料的研究进展，并探讨了自支撑纳米催化剂在电解水制氢领域的应用；3对未来制备自支撑电解水催化剂的集成化与工业化进行了展望。内容介绍1水电解制氢背景及基础理论1.1

水电解制氢背景氢作为一种可再生、高效的能源，具有能量密度高、无碳能源载体的特点，被认为是一种潜在的能源载体和传统化石燃料的替代品，有望在未来的可持续能源中发挥关键作用[6,7]。可再生能源电解水制氢是指在通入直流电的情况下，将水进行电解使其分离，从而产生H2和O2的一项技术，该技术通常使用可再生能源电力作为动力，不会排放CO2、SO2和其他有毒有害并对环境产生破坏的物质，从而获得“绿氢”。各种制氢技术比较如表1所示。表1

电解水制氢技术比较1.2

碱性电解水基础理论1.3

自支撑电极工业电解水三相反应界面的构筑亲水性在材料表面能被水分所润湿的这一性质被称作界面现象，而润湿过程的实质则是在物质界面发生能量和性质的变化。人们通常将疏水表面定义为具有较大的液体接触角(LCA，>90°)和较小的液体黏附力的表面，而亲水表面是具有较低的液体接触角(<90°)和较高液体黏附力的表面。1.3.1

配体修饰改善催化剂表面亲水特性通过配体修饰，可以将催化剂表面由亲气性调整为亲水性，生成的气泡容易在催化剂的亲水表面脱附，从而使催化剂的活性位点暴露于液相中的反应物，改变材料三相界面的润湿性。1.3.2

电极表面纳米催化剂材料阵列化催化剂表面的粗糙度能有效改变三相界面的润湿性，在提升三相反应界面方面发挥着重要作用，多种纳米结构已被应用于催化界面的构建，与原始光滑表面相比，催化活性显著提升。图1

光滑和纳米结构薄膜的连续和不连续三相接触线2自支撑电极2.1

自支撑电极及其电化学催化优势自支撑电极材料是指将活性组分以共价键或吸附的形式，使其能够结合在导电基底或集流体上的电极材料，既能传递电子又能活化底物。2.2

自支撑电极分类2.2.1

模板导向法在不同导电基底上合成的1D/2D金属氧化物或者金属氢氧化物被用做自牺牲模板在很多文献中已被报道。图2

在基于金属氧化物作为MOF(ZIF-67为代表)前驱体的三维导电基体上制备金属氧化物@MOF混合阵列及其衍生的金属氧化物@MOFC阵列的示意图2.2.2

溶剂热/水热法提出了一种溶解-沉淀机理来解释Ni(OH)2纳米片阵列的原位水热生长过程。如图3所示，调整优化后的MoS2/NiS/NF催化材料在碱性电解液中表现出优异的电解水催化性能以及循环稳定性。图3

MoS2/NiS/NF异质结构合成示意图3结论与展望本文从工业化电解水角度出发，分析了目前工业电解水中存在的部分问题，提出设计较大三相反应界面的自支撑电极，从工业电解水三相反应界面的构筑的角度出发，综述主要从以下两个方面提出改进策略：1)进行配体修饰改善催化剂表面亲水特性；2)设计电极表面纳米催化剂材料阵列化从而提高催化剂表面的粗糙度。在纳微尺度下，构建高强度、