【摘 要】
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氢能是支撑起智能电网和可再生能源发电规模化的最佳能源载体,电解水制氢是实现高效清洁生产高纯氢气的重要途径。为了推进电解水工业化大规模产氢,开发在实际应用的严苛条件下,即大电流密度(＞500 m A cm-2)和高温（工业电解温度60-80°C）,具有优异催化活性和长期稳定性的全解水催化剂,仍是一项重大挑战。本文基于成本低廉、催化潜力突出的铁系金属磷化物,通过对泡沫金属基体的设计优化,构建了具有工业
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氢能是支撑起智能电网和可再生能源发电规模化的最佳能源载体,电解水制氢是实现高效清洁生产高纯氢气的重要途径。为了推进电解水工业化大规模产氢,开发在实际应用的严苛条件下,即大电流密度(＞500 m A cm-2)和高温（工业电解温度60-80°C）,具有优异催化活性和长期稳定性的全解水催化剂,仍是一项重大挑战。本文基于成本低廉、催化潜力突出的铁系金属磷化物,通过对泡沫金属基体的设计优化,构建了具有工业应用前景的高效稳定的一体化电极催化剂。首先,采用泡沫钴材料同时作为载体和钴源,通过预氧化-电沉积-低温磷化的方法,在泡沫钴基底上原位生长铁钴双金属磷化物异质结构。所合成的无缝一体化电极（Fe2P-Co2P/CF）中,Co2P、Fe2P与泡沫钴基底之间以紧密而牢固的化学键连接,具有电荷转移快、机械稳定性强、可承受高温和大电流密度冲击而不易脱落失活的优点,保证了其在工业应用中的长期稳定性。另外,通过引入第二金属Fe,进一步优化了催化剂的电子结构,并改善了在电化学析氧反应（OER）中的氧化重构过程。Fe2P-Co2P/CF一体化电极在电化学析氢反应（HER）和OER中均表现出优异的催化性能,特别是在大电流密度下,远超过对应的商业Pt/C和Ir O2的性能。65°C碱性电解池的全解水测试中,仅需1.86 V即可达到1000 m A cm-2,在120小时的多步计时电位测试中保持良好的稳定性。为验证一体化电极设计的通用性,选择更为廉价易得的泡沫镍为原料,采用直接磷化-电沉积-再磷化的方法实现有效的几何和电子结构调控,制备出具有粗糙棒状阵列的铁镍双金属磷化物一体化电极。垂直有序的纳米棒牢固地生长在三维多孔泡沫镍基底上,保证了催化电极在电解水中具有高导电性、强稳定性,以及快速的传质和气体扩散。通过改变电沉积时间,分析添加铁元素而引起的形貌和电子结构变化对电化学性能的影响规律,并将合成的双功能电解水催化电极Fe2P-Ni12P5/NF直接用于组装碱性阴离子交换膜电解槽（AEMWE）,探索器件的最佳电解操作条件。通过电化学测试和电能转换效率的计算,Fe2P-Ni12P5/NF||Fe2P-Ni12P5/NF电解槽在未经i R补偿的1.0 A cm-2电流密度下,表现出75%以上的电池电压效率,对工业电解水中的应用评估具有实际参考价值。
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