低成本新型催化材料的探索：304型不锈钢网的改性研究

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随着经济的迅猛发展，我国对能源的需求日益增加。目前，人类仍主要依赖于化石燃料提供能源，过度使用化石燃料已造成严重的能源和环境问题，寻求清洁的可再生能源迫在眉睫。氢气作为一种高效清洁的二次能源载体，被誉为未来的石油。开发和利用无污染的氢能源是替代化石燃料的一种最佳途径，因此受到各国研究者的高度关注。水分解制氢是以自然界取之不尽的水为原料，利用分布式电源或过剩电能通过电催化分解水的方式产生氢气，是一种安全、绿色、有效的制氢方法。但目前全球仅有20%左右的氢气来自于水分解，主要原因是水分解过度依赖稀有金属作为催化剂，如铂、铱和铑等。而这些稀有金属储量少、价格昂贵，无法满足工业生产的需要。近年来，寻找价格低廉、自然界储量高的析氢催化剂成为能源、材料、凝聚态物理、化学等诸多领域的研究热点。

针对低成本、高性能催化剂的巨大需求，新型催化剂的探索从未停下脚步。近期，中山大学的纪红兵教授和童叶翔教授课题组合作在新型催化剂的合成中取得了新进展。他们在电解水领域设计了一种以廉价的不锈钢网衍生出能够在碱性条件下高效分解水的电极材料。研究人员通过将普通商用的304型柔性不锈钢网进行酸腐蚀剥离，并在高温下利用氨气以及磷化氢气体活化处理，分别制备出性能媲美金属铂和氧化铱电极性能的自支撑阳极和阴极电极。这种电极的优点突出：1）成本低廉：304型柔性不锈钢网每平方米售价40美元，而其他常用的非贵金属替代电极材料，如镍网每平方米100美元，碳布每平方米875美元。金属铂和二氧化铱更加昂贵。2）活性优异：得益于表面腐蚀剥离增加的活性比表面积以及高温氨气或磷化氢气体的烧灼引入氮或磷原子，制备的氮掺杂活化电极析氢活性与金属铂相近，磷掺杂活化电极析氧活性比二氧化铱高。电解水整体体系的性能比传统组合金属铂-二氧化铱系统的超电势小。3）自支撑电极：整个电极都为活性材料，并与基底结合紧密，活性物质析出量大大减弱。4）性能稳定：整个体系在近6天不间断的工作时间内性能未观察到任何衰减。

该工作系统研究了剥离腐蚀以及氮、磷原子的存在对样品电化学析氢、析氧性能造成的影响，并对其中各样品的物相组成进行了深入的分析，从而成功设计组装出媲美贵金属或贵金属氧化物的电分解水能源转化装置。所制备的电极同时具有价格低廉、性能稳定的特点，为电分解水研究领域的科研工作者提供了重要的参考，推进电解水能源转化技术的应用。相关论文在线发表在Advanced Materials 上。