武汉工程大学：先进能源技术中电催化剂的腐蚀与防护

2024-06-05 14:31:07 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

目前，化石燃料能源消耗的持续增加和严重的生态问题引起了全球的关注。水分解、金属-空气电池、燃料电池等清洁能源技术可以有效地应用于改善生态问题和能源利用。电催化剂可以降低反应活化能，提高这些能源技术的反应动力学和能量转换效率。

然而，电催化剂在各种使用条件下，包括电压、酸、碱电解质，更容易受到腐蚀。一般来说，腐蚀行为会改变电催化剂的宏观形貌和微观结构，从而影响其催化活性和稳定性。近年来，各种研究对电催化剂的腐蚀化学进行了探索，并为先进的电化学能源技术开发了优良的电催化剂。

基于先进能源技术中电催化剂的腐蚀与防护的最新成果，武汉工程大学杨欢教授团队针对化学腐蚀、金属腐蚀转化和腐蚀重构等多种腐蚀策略在构建优良电催化剂中的应用进行了研究，并对其影响因素进行了评价和总结。为了提高电催化剂的稳定性，综述了各种缓蚀策略，如改进载体和调整成分并优化结构。此外，从构效关系的角度考察了催化剂腐蚀在电化学能源技术中的应用。最后总结出电催化剂腐蚀在能量转换和存储技术中的前景和挑战，为高效低腐蚀电催化剂的设计提供了新的思路和方向，有利于可持续能源技术中腐蚀化学的发展。相关研究成果已于近期发表在Advanced Functional Materials期刊上。

要点一

制备电催化剂的腐蚀策略

酸和碱蚀刻是典型的化学蚀刻方法，可用于构建丰富的活性位点或提供原子缺陷；金属腐蚀可以自发地在金属表面进行，金属材料的结构在腐蚀过程中发生变化，可以通过金属溶解、表面沉积、原子修饰等方式来提高其性能（图1a）；与自发的化学腐蚀相反，催化剂的电化学腐蚀将在外部电位下引起表面重构。特别是，电催化剂的局部电子结构可以通过重构过程来调节，该过程可以不可逆地将电催化剂表面的金属原子转化为高活性的氢(氧)氧化物（图1b）。

图1 a)金属材料的化学腐蚀；b)电催化剂的电化学腐蚀重构示意图

要点二

电催化剂的缓蚀策略

对于碳负载的电催化剂，可以采用表面改性和杂原子掺杂碳等多种策略来提高载体与催化剂之间的结合强度；具有保护壳的电催化剂涂层具有物理空间约束效应，可以通过电解质与电活性物质的间接接触来防止腐蚀；合金化可以优化电催化剂表面的电子结构，有利于形成稳定的钝化层。

此外，促进的电荷转移可以减少电催化剂表面形成的活性氧，从而减缓腐蚀过程；掺杂会使掺杂剂与腐蚀性介质发生反应。形成的保护涂层可以防止腐蚀性介质接触电催化剂，提高电催化剂的耐腐蚀性。

一般来说，电催化剂的结构特征包括形状、局部尺寸、表面构型/纳米结构和活性相。因此，结构优化可以改善结晶度，增加粒径，降低表面自由能，被认为是改善电催化剂腐蚀的最佳策略之一（图2）。更重要的是，电催化剂的结构优化可以保持较高的活性和稳定性。

图2 不同电催化剂的结构优化

要点三

电化学能源技术中电催化剂的腐蚀

水电解制氢高效环保，是一种理想的清洁能源。电催化剂可以显著影响H₂产率和整体水分解效率。在构建水分解电催化剂的不同策略中，腐蚀工程可以将有害的腐蚀过程转化为优良的催化剂。

腐蚀工程已经采用氢氧化物作为OER催化剂。例如，采用微生物腐蚀策略构建高级氢氧化镍催化剂（图3a）；典型的金属-空气电池，锌-空气电池具有成本低、理论能量密度高的优点。由于氧电催化反应动力学慢使锌空气电池稳定性差和功率密度低。在充放电过程中，颗粒的结构崩塌和团聚导致其活性和稳定性的衰减（图3b）。因此，设计了连续掺氮碳纳米管基体，增强其耐腐蚀性和稳定性，大大提高了锌空气电池的功率密度和循环稳定性；燃料电池具有功率/能量密度高，能将化学能转化为电能的优点。ORR在燃料电池中充当阴极。然而，O=O键难以激活/裂解限制了ORR动力学。为此，采用腐蚀法设计了一维束状Pt-Ni合金纳米笼。与商业Pt/C催化剂相比，这些构建的纳米笼具有更好的质量活性和稳定性（图3c）。更重要的是，组装后的燃料电池具有高电流密度，并在180小时内保持稳定（图3d）。较低的诱导Pt-O键数量有助于提高性能。