KIER開發(fā)用于海水電解制氫的高性能碳布基電極

韓國能源研究院（Korea Institute of Energy research）部門耦合集成融合研究中心的Ji-Hyung Han博士的研究團隊開發(fā)了一種高性能碳布基電極，即使在高電流條件下也能保持穩(wěn)定的性能。新開發(fā)的電極是第一個使用碳布支撐的海水電解電極，在高電流條件下成功連續(xù)運行超過800小時，突出了其商業(yè)化潛力。

水電解是一種通過分解水產(chǎn)生氫氣的環(huán)保技術(shù)。雖然它主要依靠淡水，但對全球水資源短缺的擔(dān)憂日益增加，人們越來越關(guān)注直接利用海水的電解。

海水電解系統(tǒng)的性能和壽命在很大程度上取決于電極中使用的催化劑和均勻分布催化劑的電極支架。雖然鉑和釕等貴金屬催化劑是常用的，但最近的研究主要集中在非貴金屬催化劑或由于成本問題而盡量減少貴金屬使用的方法上。

電極支持也有問題。金屬基支架極易受到氯離子的腐蝕，這顯然限制了它們的使用壽命。作為一種替代品，碳布因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、柔韌性和成本效益而出現(xiàn)。然而，現(xiàn)有的碳布基催化劑在商業(yè)化方面面臨著挑戰(zhàn)，因為它們在工業(yè)應(yīng)用所需的大電流操作（高于500mA/cm2）和超過100小時的長期使用過程中會出現(xiàn)性能下降和結(jié)構(gòu)損壞。

研究小組通過優(yōu)化酸處理工藝，開發(fā)出了提高制氫效率的碳布基電極，克服了傳統(tǒng)電極的局限性。新開發(fā)的電極將施加在電極上的過電位降低了25%，使析氫反應(yīng)（HER）的效率是現(xiàn)有電極的1.3倍。

為了提高電極的反應(yīng)性，研究小組專注于對碳布進行酸處理。酸處理包括將布浸入100°C的高濃度硝酸溶液中一小時。然而，過程中的蒸發(fā)會引起酸濃度的波動，這是一個挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，該團隊設(shè)計了一個專門的酸處理容器，以防止?jié)舛茸兓晒Φ貎?yōu)化了碳布支架的表面處理。

經(jīng)酸處理的碳布支架具有較高的親水性，促進了鈷、鉬和釕離子在其表面的均勻分布。特別是，貴金屬釕均勻地分散在整個支架中，即使用量很少，也能實現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。

結(jié)果，與傳統(tǒng)的CoMo催化劑相比，釕摻入鈷鉬（CoMo）催化劑的過電位降低了約25%，盡管按重量計只使用了約1%的釕。通過降低所需的過電位，催化劑使析氫反應(yīng)在相同電流密度下的效率提高了約1.3倍。

即使在500mA/cm2的高電流條件下連續(xù)運行800多小時后，催化劑涂層電極仍保持其初始性能。對電極的事后分析顯示，電解液中沒有釕和鈷等金屬離子的浸出，具有良好的耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，該團隊成功地合成了一個面積為25平方厘米的大面積電極，顯示出可擴展性和實際應(yīng)用的潛力。

KIER的Ji-Hyung Han博士說：“該技術(shù)標(biāo)志著世界上第一個使用碳布基電極在工業(yè)級高電流條件下長期運行超過一個月的成功案例。”

她補充說：“我們計劃通過延長1000小時以上的耐久性測試和研究擴展到大面積電池模塊和電堆，進一步將該技術(shù)提升到示范水平。”

這項研究得到了韓國科學(xué)和信息通信技術(shù)部下屬的國家科學(xué)技術(shù)研究委員會（NST）的支持。該研究結(jié)果發(fā)表在國際知名雜志《應(yīng)用表面科學(xué)》（Applied Surface Science） 2025年5月的網(wǎng)絡(luò)版上。