KIER开发用于海水电解制氢的高性能碳布基电极

韩国能源研究院（Korea Institute of Energy research）部门耦合集成融合研究中心的Ji-Hyung Han博士的研究团队开发了一种高性能碳布基电极，即使在高电流条件下也能保持稳定的性能。新开发的电极是第一个使用碳布支撑的海水电解电极，在高电流条件下成功连续运行超过800小时，突出了其商业化潜力。

水电解是一种通过分解水产生氢气的环保技术。虽然它主要依靠淡水，但对全球水资源短缺的担忧日益增加，人们越来越关注直接利用海水的电解。

海水电解系统的性能和寿命在很大程度上取决于电极中使用的催化剂和均匀分布催化剂的电极支架。虽然铂和钌等贵金属催化剂是常用的，但最近的研究主要集中在非贵金属催化剂或由于成本问题而尽量减少贵金属使用的方法上。

电极支持也有问题。金属基支架极易受到氯离子的腐蚀，这显然限制了它们的使用寿命。作为一种替代品，碳布因其优异的导电性、耐腐蚀性、柔韧性和成本效益而出现。然而，现有的碳布基催化剂在商业化方面面临着挑战，因为它们在工业应用所需的大电流操作（高于500mA/cm²）和超过100小时的长期使用过程中会出现性能下降和结构损坏。

研究小组通过优化酸处理工艺，开发出了提高制氢效率的碳布基电极，克服了传统电极的局限性。新开发的电极将施加在电极上的过电位降低了25%，使析氢反应（HER）的效率是现有电极的1.3倍。

为了提高电极的反应性，研究小组专注于对碳布进行酸处理。酸处理包括将布浸入100°C的高浓度硝酸溶液中一小时。然而，过程中的蒸发会引起酸浓度的波动，这是一个挑战。为了解决这个问题，该团队设计了一个专门的酸处理容器，以防止浓度变化，成功地优化了碳布支架的表面处理。

经酸处理的碳布支架具有较高的亲水性，促进了钴、钼和钌离子在其表面的均匀分布。特别是，贵金属钌均匀地分散在整个支架中，即使用量很少，也能实现优异的电化学性能。

结果，与传统的CoMo催化剂相比，钌掺入钴钼（CoMo）催化剂的过电位降低了约25%，尽管按重量计只使用了约1%的钌。通过降低所需的过电位，催化剂使析氢反应在相同电流密度下的效率提高了约1.3倍。

即使在500mA/cm²的高电流条件下连续运行800多小时后，催化剂涂层电极仍保持其初始性能。对电极的事后分析显示，电解液中没有钌和钴等金属离子的浸出，具有良好的耐腐蚀性和结构稳定性。此外，该团队成功地合成了一个面积为25平方厘米的大面积电极，显示出可扩展性和实际应用的潜力。

KIER的Ji-Hyung Han博士说：“该技术标志着世界上第一个使用碳布基电极在工业级高电流条件下长期运行超过一个月的成功案例。”

她补充说：“我们计划通过延长1000小时以上的耐久性测试和研究扩展到大面积电池模块和电堆，进一步将该技术提升到示范水平。”

这项研究得到了韩国科学和信息通信技术部下属的国家科学技术研究委员会（NST）的支持。该研究结果发表在国际知名杂志《应用表面科学》（Applied Surface Science） 2025年5月的网络版上。