陆之毅、徐雯雯在海水电解阳极腐蚀机理研究方面取得新进展

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利用海水替代淡水进行电解制氢被认为是一种经济、可持续的技术，对实现国家“碳达峰碳中和”的战略目标具有重要意义。目前，海水电解仍然存在着阳极稳定性差的问题，制约了其进一步的发展。研究人员发现海水中高浓度的Cl-会造成阳极的严重腐蚀，导致电极快速失效。因此，人们设计了许多具有抗Cl-腐蚀层的催化剂来提高的镍基阳极的稳定性。然而，这些耐Cl-腐蚀的阳极在碱性海水中测试的稳定性明显短于碱性模拟海水（0.5 M NaCl）。因此，探明海水中其他化学成分对阳极稳定性的不利影响对于提升阳极寿命、实现海水电解的工业化应用至关重要。

图1 镍基底在含Cl-和含Br-溶液中的腐蚀过程

　　近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所氢能实验室陆之毅研究员带领的电化学环境催化团队与中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室汪爱英研究员带领的碳基薄膜与涂层技术团队合作，基于前期对海水电解阳极稳定性的研究（Research 2020, 2020, 2872141; Angew. Chem. Int. Edit. 2021, 60, 22740），在海水电解阳极腐蚀机理研究方面取得了新的进展。该团队发现除了Cl-以外，海水中的Br-对镍基阳极的危害更大。本研究工作中，研究人员利用循环极化曲线发现镍基底在含Br-溶液中的耐腐蚀性比含Cl-溶液的差，且在含Br-溶液中的腐蚀速率更快。进一步的电化学原位表征发现Cl-会造成基底的局部腐蚀，形成窄而深的凹坑，而Br-则会大面积腐蚀，形成浅而宽的凹坑。深入的机理分析表明，Cl-有更低的扩散势垒，更容易扩散进入基底钝化层进行腐蚀，而Br-与钝化层反应的自由能更低，倾向于多位点快速腐蚀。此外，对于表面含有催化剂（如NiFe-LDH）的镍基电极，Br-会导致催化剂层大面积剥落，从而导致性能迅速下降。
　　该项研究成果表明，除了抗Cl-腐蚀外，设计抗Br-腐蚀阳极对于海水电解的实际应用更为重要。工作以“Concerning the stability of seawater electrolysis: a corrosion mechanism study of halide on Ni-based anode”为题发表在国际知名期刊Nature Communications上（DOI: 10.1038/s41467-023-40563-9）。
　　该研究得到了国家重点研发计划（2021YFA1502200）、宁波市“甬江引才工程”科技创新/创新团队（2021A-036-B）、浙江省研发计划先导项目（2022C01158）、宁波市科技新2025重大专项计划项目（2022Z205、2020Z107）、国家自然科学基金（22105214）、宁波市自然科学基金（20221JCGY010295）的支持。论文通讯作者为宁波材料所陆之毅研究员和徐雯雯助理研究员。
         文章来源：宁波材料所
        陆之毅博士，现为宁波材料工程技术研究所新能源技术所团队人才研究员。2015年毕业于北京化工大学化学工程与技术专业，师从国家杰出青年基金获得者孙晓明教授。2016年-2019年期间在美国斯坦福大学材料科学与工程系从事博士后研究，师从纳米科学专家崔屹教授。陆博士的研究方向主要为气体参与电化学催化剂的合成和性能调控以及电极结构设计。迄今为止，陆之毅博士已经发表SCI论文56篇，h-index为34。其中，以第一作者(含共同一作)或者通讯联系人在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Accounts of Chemical Research，Advanced Materials等知名杂志发表论文26篇，他引大于2000次。