頂刊《AEM》：通過腐蝕與合金工程，將廢輪胎鋼絲變廢為寶！

2020-10-18 材料科學與工程

導讀：本文作者利用廢棄輪胎中的不鏽鋼絲作為基底，分別採用原位合成以及化學腐蝕的方法，製備得到了高效、耐腐蝕的HER和OER電極。在工業條件下（5M KOH, 343 K）應用時，僅需51 mV（HER）以及161mV（OER）的過電位即可達到1000 mA/cm2的電流密度，同時具有極好的穩定性。

近年來，電解水制氫因其高效、環保的優勢而被廣泛研究。在電解水體系中，為了提高產氫率和系統的整體效率，水分解的半反應（析氧反應-OER，析氫反應-HER）都必須達到最佳效率。傳統意義上來說，HER和OER能夠被鉑族金屬（PGM）輕鬆地催化並反應，但這些金屬的稀缺以及高昂的價格促使人們尋求儲量豐富的非貴金屬替代品。然而，儘管對電解水的非貴金屬催化劑的研究已經取得了重大突破，但在實際工藝條件（高環境溫度，高鹼性）下，催化劑如何能在高電流密度下保持長時間的穩定以及是否具有像PGMs這樣高的活性仍然是一個有待解決的問題。

不鏽鋼（SS）是具有彈性的高合金化鋼，即使在較高的壓力和溫度下，也能在大多數酸和鹼性溶液中表現出很好的（電）化學惰性。因此，它們被廣泛地用作催化劑材料的導電襯底或載體材料。

針對以上問題，韓國漢陽大學SungChul Yi教授團隊開發了一種成本競爭力高且能夠滿足嚴格的工業需求的高性能電極系統。作者選取了廢棄輪胎中的不鏽鋼絲（SSW）,不僅將它作為HER催化劑的基底，同時通過化學腐蝕、原位生長的方式使其成為高效的OER催化電極。這種SSW基的雙功能電極體系表現出優異的催化性能以及極好的耐腐蝕性，可在工業條件下應用。此工作近日以「Corrosion and Alloy Engineering in Rational Design of High Current Density Electrodes for Efficient Water Splitting」為題發表於國際知名期刊《Advanced Energy Materials》上。

論文連結：

https://doi.org/10.1002/aenm.201904020

對於陽極，作者採用化學腐蝕法直接對不鏽鋼絲（SSW）進行腐蝕，並通過水熱對腐蝕反應進行加速。在此過程中SSW表面逐漸產生Ni/FeOOH納米顆粒，其中水熱12小時的樣品（SSWRs-12 h）性能最佳。另一方面，作者將SSW作為基底，在其表面原位合成了MoNi4納米陣列（MoNi4/SSW），得到了陰極催化電極。通過以上方法得到的SSWRs-12 h和MoNi4/SSW電極分別在OER及HER催化反應中展現出優異的性能（在1M KOH溶液中，OER僅需287mV的過電位即可達到500 mA/cm2的電流密度，HER僅需77mV即可達到200 mA/cm2），並且在工業測試條件下性能依然保持穩定。同時，使用上述兩個電極作為對電極進行全解水性能測試時，它們依舊具有高效的性能以及良好的穩定性。

圖1. 廢舊不鏽鋼絲(SSWs)製造HER和OER電極的過程示意圖。

圖2. OER電極的形貌及結構表徵圖。

圖3. HER電極的形貌及結構表徵圖。

圖4. OER性能測試以及相應電化學表徵。

圖5. HER性能測試以及相應電化學表徵。

圖6. 全解水性能測試及示意圖。

綜上所述，作者通過簡單的合成和表面改性，從廢棄的SSW中得到了耐腐蝕、高活性的OER、HER催化電極。從成本和催化活性角度來看，該電極系統在非PGMs的催化劑中具有極高的競爭力。除了具有良好的性能外，此工作還強調了回收廢棄金屬用於清潔能源應用的實用性，這有助於減少材料的浪費，也為能源可持續發展的未來提供了新思路。（文：天航）

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