實(shí)際工業(yè)化電解水生產(chǎn)中，析氫陰極在高溫、高堿濃度、高電流密度等條件下長期并間歇性工作。因此，除了考慮其催化析氫性能外，必須著重考慮電極的安全性及穩(wěn)定性。目前，工業(yè)生產(chǎn)多采用等離子噴涂雷尼鎳以及鎳基合金電極為主。

析氫電極的研究現(xiàn)狀

析氫過電位主要與電極材料、電流密度、電解液組成和工作溫度等因素有關(guān)。由于電流密度、電解液組成和工作溫度等因素相對(duì)易于控制，因而選擇合適的電極材料及改性方法成為降低析氫過電位最有效的手段。在早期電解水電極材料中，以貴金屬Pt、Pd及其氧化物為主。其具有不易氧化、析氫過電位低、電解穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但貴金屬價(jià)格昂貴不利于工業(yè)化大批量使用。因此，開發(fā)能夠有效降低陰極析氫過電位的新型非貴金屬陰極材料成為研究熱點(diǎn)。

目前，制備析氫電極材料的主要方法包括電沉積法、涂覆熱分解法、磁控濺射法、熱噴涂法、物理化學(xué)沉積法、金屬冶煉法、粉末冶金法等多種方法。在這些制備手段中，都不同程度地存在大規(guī)模生產(chǎn)和維護(hù)成本高、電極壽命和穩(wěn)定性低等問題。相比于其他方法，電沉積法制備的析氫電極在具有良好催化活性、耐蝕能力及機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，加工及維護(hù)成本低，適用于工業(yè)大電流長時(shí)間生產(chǎn)。而且，電沉積方法工藝成熟、操作簡單。因此，電沉積法是目前制備析氫電極最貼近工業(yè)化的研究方向。

在早期研究中，F(xiàn)e基合金電極由于其制備成本低且長期電解穩(wěn)定性良好而受到格外關(guān)注。采用電沉積法相繼制備了Fe-Ni、Fe-P、Fe-Mo等合金電極。盡管在模擬工業(yè)電解實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出長時(shí)間的電化學(xué)穩(wěn)定性，但其析氫過電位仍在200mV以上，電催化活性成為限制其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

過渡金屬Ni的電子排布3d84s2，具有未成對(duì)的3d電子，在析氫電催化反應(yīng)中，能夠與氫原子1s軌道配對(duì)，形成強(qiáng)度適中的Ni—H吸附鍵，兼具優(yōu)異的析氫催化性能和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因而被公認(rèn)為貴金屬理想的替換材料。Ni基電極主要有兩個(gè)發(fā)展方向：一是電極結(jié)晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即主要通過合金化方式設(shè)計(jì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)，制備具有較快氫吸脫附能力的高催化活性和穩(wěn)定性的電極材料，從本質(zhì)上改善Ni基固有催化活性；二是電極尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即增大電極的表面粗糙度，有效降低析氫反應(yīng)電化學(xué)過程的真實(shí)電流密度，從而降低析氫過電位，并為析氫反應(yīng)提供更多的反應(yīng)活性中心。

存在的問題

實(shí)際工業(yè)化電解水生產(chǎn)中，析氫陰極必須在高溫、高堿濃度、高電流密度等條件下長期并間歇性工作。因此，除了考慮其催化析氫性能外，必須著重考慮電極的安全性及穩(wěn)定性。目前，工業(yè)生產(chǎn)更多出于穩(wěn)定性方面的考慮，仍以鐵和鍍Ni陰極為主，單位氫氣的能耗約為4.5～5.5kWh/m3。電流密度為150mA/cm2時(shí)，析氫過電位達(dá)到300mV以上，極大增加了生產(chǎn)能耗。近年來研制并成功應(yīng)用的RaneyNi以及Ni基多元合金電極，雖能夠?qū)⑽鰵溥^電位降低到100～200mV，近似達(dá)到貴金屬的電催化水平，但是其長期電解穩(wěn)定性存在隱患。同時(shí)，析氫電極的實(shí)驗(yàn)室研究普遍存在重視催化活性等直接性能指標(biāo)，而忽視穩(wěn)定性、安全性等長期間接性能指標(biāo)的問題。出于工業(yè)化需求的考慮，例如多孔電極的力學(xué)穩(wěn)定性、合金電極的電化學(xué)穩(wěn)定性等長期性能指標(biāo)應(yīng)逐漸成為實(shí)驗(yàn)室研究的重點(diǎn)。目前，析氫電極的研究缺乏一個(gè)系統(tǒng)的電極評(píng)價(jià)體系。實(shí)驗(yàn)室研究應(yīng)遵循工業(yè)化應(yīng)用規(guī)律，將電極催化活性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性3方面內(nèi)容進(jìn)行綜合考量。木桶理論在析氫電極的篩選中同樣適用，單純追求其中某一方面的性能出色，而忽視其他問題，都是不正確的電極評(píng)價(jià)體系。

結(jié)語及展望

氫能作為可再生的清潔能源，越來越受到人類的重視。在風(fēng)電和光伏裝機(jī)快速增長的今天，高效利用廉價(jià)且豐富的“風(fēng)”、“光”資源，實(shí)現(xiàn)“綠色化”制氫，將極大改善長久以來限制電解水工業(yè)化應(yīng)用的成本及環(huán)境問題?？梢灶A(yù)見，低成本、高效率、無污染的水電解制氫技術(shù)將成為未來清潔能源的主要制備手段。設(shè)計(jì)開發(fā)新型高活性析氫電極材料，對(duì)于提高制氫效率，降低生產(chǎn)成本具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在眾多的析氫催化材料中，過渡金屬具有低析氫過電位和低成本的雙重優(yōu)勢(shì)，尤以Ni基材料優(yōu)勢(shì)最為明顯，被公認(rèn)為貴金屬理想的替換材料。對(duì)于Ni基材料的活性改進(jìn)主要集中于材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。電沉積技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)這兩種改進(jìn)方式的重要手段，在析氫電極的制備中扮演了重要角色。因此，采用電沉積技術(shù)，科學(xué)、有效、合理的設(shè)計(jì)電極結(jié)晶、尺寸結(jié)構(gòu)，制備催化活性更高且適用于工業(yè)電解環(huán)境的多元復(fù)合電極材料將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。