寧波材料所在海水電解陽極腐蝕機理研究方面取得新進展
利用海水替代淡水進行電解制氫被認為是一種經(jīng)濟、可持續(xù)的技術(shù)，對實現(xiàn)國家“碳達峰碳中和”的戰(zhàn)略目標具有重要意義。目前，海水電解仍然存在著陽極穩(wěn)定性差的問題，制約了其進一步的發(fā)展。研究人員發(fā)現(xiàn)海水中高濃度的Cl-會造成陽極的嚴重腐蝕，導(dǎo)致電極快速失效。因此，人們設(shè)計了許多具有抗Cl-腐蝕層的催化劑來提高的鎳基陽極的穩(wěn)定性。然而，這些耐Cl-腐蝕的陽極在堿性海水中測試的穩(wěn)定性明顯短于堿性模擬海水（0.5 M NaCl）。因此，探明海水中其他化學(xué)成分對陽極穩(wěn)定性的不利影響對于提升陽極壽命、實現(xiàn)海水電解的工業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所氫能實驗室陸之毅研究員帶領(lǐng)的電化學(xué)環(huán)境催化團隊與中國科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室汪愛英研究員帶領(lǐng)的碳基薄膜與涂層技術(shù)團隊合作，基于前期對海水電解陽極穩(wěn)定性的研究（Research 2020, 2020, 2872141; Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 22740），在海水電解陽極腐蝕機理研究方面取得了新的進展。該團隊發(fā)現(xiàn)除了Cl-以外，海水中的Br-對鎳基陽極的危害更大。本研究工作中，研究人員利用循環(huán)極化曲線發(fā)現(xiàn)鎳基底在含Br-溶液中的耐腐蝕性比含Cl-溶液的差，且在含Br-溶液中的腐蝕速率更快。進一步的電化學(xué)原位表征發(fā)現(xiàn)Cl-會造成基底的局部腐蝕，形成窄而深的凹坑，而Br-則會大面積腐蝕，形成淺而寬的凹坑。深入的機理分析表明，Cl-有更低的擴散勢壘，更容易擴散進入基底鈍化層進行腐蝕，而Br-與鈍化層反應(yīng)的自由能更低，傾向于多位點快速腐蝕。此外，對于表面含有催化劑（如NiFe-LDH）的鎳基電極，Br-會導(dǎo)致催化劑層大面積剝落，從而導(dǎo)致性能迅速下降。
該項研究成果表明，除了抗Cl-腐蝕外，設(shè)計抗Br-腐蝕陽極對于海水電解的實際應(yīng)用更為重要。工作以“Concerning the stability of seawater electrolysis: a corrosion mechanism study of halide on Ni-based anode”為題發(fā)表在國際知名期刊Nature Communications上（DOI: 10.1038/s41467-023-40563-9）。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFA1502200）、寧波市“甬江引才工程”科技創(chuàng)新/創(chuàng)新團隊（2021A-036-B）、浙江省研發(fā)計劃先導(dǎo)項目（2022C01158）、寧波市科技新2025重大專項計劃項目（2022Z205、2020Z107）、國家自然科學(xué)基金（22105214）、寧波市自然科學(xué)基金（20221JCGY010295）的支持。論文通訊作者為寧波材料所陸之毅研究員和徐雯雯助理研究員。
圖1 鎳基底在含Cl-和含Br-溶液中的腐蝕過程
圖2 NiFe-LDH/泡沫鎳陽極在含Cl-、含Br-溶液和海水中的腐蝕
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