21世纪能源问题是一个急需解决的难题，越来越多的人尝试利用新能源来弥补空缺。氢能源因其清洁、高效等特点在近些年发展迅速。制造氢能源的方法多数来源于电解水，电解材料的性能极大程度上影响了电解水的能力，因此电催化材料的研究和改进具有十分现实的意义。


在泡沫电极还未发展之前，人们大多都是用普通金属作为电极进行析氢，而Pt是公认的析氢效果最好的金属，但是由于其昂贵的价格，并未能广泛运用于电解水工艺，而其次较为突出的是镍，高鹏等人研究了碱性环境中镍电极的析氢机理，得出了较为清晰的反应历程。


常规金属之后，多孔金属因其表面积大等一系列优越性能被大量运用到析氢工艺中。而泡沫金属则是进一步发展了多孔金属的物理优越性，并且因其易负载其他金属这一突出特点，被逐渐运用到电解水中。鉴于镍元素价格合理，并且析氢能力较好，其析氢能力相对于普通镍提高了很多，并且因为镍元素的延伸性较好，负载能力较强，而且制成的电极材料性能稳定，逐渐形成了泡沫镍基电极的体系。


泡沫镍负载一元物质作为析氢电极

图1 Pt/NF电极SEM图

图2 Ni-Mo合金电极50倍SEM图


通过浸渍沉积法制备的Pt/NF电极的SEM图如图1所示，与一般材料不同，Pt纳米粒子没有负载在孔的内部而是均匀地负载在NF电极的表面，可以看出Pt纳米粒子的直径大约200～500 nm。电极的表面相较之下更加粗糙，增大了其比表面积，便有利于提高电极的析氢催化活性。泡沫镍负载Mo的合金电极如图2所示，表面存在大量裂纹，电镀Ni-Mo合金时产生大量的氢气导致这些裂纹的产生。而在长时间电解过程中，由于氢气剧烈析出，这些裂纹容易导致镀层脱落，从而使电极活性降低。由于Ni-Mo合金镀层的纳米晶结构，且表面存在大量的小突起，Ni-Mo合金才具有较高的真实表面积。采用电沉积法制备的Fe/NF电极也可以显著提高电极的析氢催化活性，大量的Fe纳米粒子沉积在光滑的泡沫镍电极表面，可以使电极的表面更加粗糙，有效增大比表面积，从而提高了电极的析氢催化活性。泡沫镍表面沉积铜膜，泡沫镍表面沉积金属铜不仅没有促进催化析氢作用，相反抑制了泡沫镍的析氢性能。吴梅等人制备的Ni-WC/Ni电极析氢电极的极化电流比泡沫Ni电极平均大50 mA/cm2以上。


泡沫镍负载二元物质作为析氢电极


泡沫镍负载Ni-Mo制备复合电极，大量的Ni-Mo小颗粒突起存在于复合电极的金属大颗粒上，这些小突起大幅增加了复合电极的比表面积。与Ni-Mo合金电极比较，在电流密度200 mA/cm2时，复合电极析氢过电位比Ni-Mo合金低50 mV左右，说明具有活性表层的复合电极活性比相应的合金高。通过电沉积方法制备泡沫镍负载Cu-Co电极，与单金属层电极相比，获得的NF/Cu0.01/Co0.05表面复合层电极表现出更好的析氢活性和稳定性，其获得的粗糙表面以及钴外层和铜内层之间的协同作用下，其产生的析氢电流是泡沫镍的2.82倍，就有较高的使用价值。运用电沉积法+浸渍沉积法制备复合材料Pt-Fe/NF电极，Pt-Fe/NF电极表面在Fe/NF和Pt/NF电极表面基础上纳米粒子更加紧密，该电极相对于Fe/NF和Pt/NF电极具有更大的比表面积，提高了复合催化剂的析氢性能。然而，Pt-Fe/NF电极在酸性溶液中稳定性不好。


泡沫镍负载三元物质作为析氢电极


在Ni-Mo-Fe合金中加入了稀土元素La后，新镀层表面的颗粒较之前的镀层相比更细致和平整光滑，致密性有了提高，从而降低了表面能，使得金属离子更好地吸附在基体表面，对于合金的成核而言得到很好的催化中心，提高了形核率并且细化了晶粒，提高了新镀层的真实表面积。稀土元素La的加入增大了镀层的真实表面积，引入稀土元素La明显提高了电极的析氢能力。


总结


近年来泡沫镍基电极发展十分迅速，本文对制备成熟并且大量使用的泡沫镍基材料进行总结，分析不同的负载物对析氢能力的影响。随着负载物的增加，相互作用越发复杂，多元负载物对镍基的性能有大大的促进作用，在今后的研究中可以多进行元素之间的结构探究，将非金属元素，过度元素等相互有促进作用的负载到镍基上，进一步提高其析氢能力。