通过SiC和短碳纤维增强，显著提升了HEC陶瓷的强度和抗烧蚀性能

本研究探讨了商业纯镍在模拟碱性水裂解环境中电位与腐蚀行为的关系，发现电位升高导致腐蚀抗性下降，0.1V时被动膜性能最佳。微观分析表明氧空位扩散和Ni(OH)?富集是腐蚀加剧的主因，同时晶界活动与微电化学效应加速了晶间腐蚀。

　　

作者：Yue Chang, Xianzhe Jin, Hong Luo, Minglei Sun

单位：北京科技大学先进材料与技术研究院国家材料腐蚀与防护数据中心，北京 100083，中国

摘要

本研究探讨了在模拟碱性水电解环境中，施加电位与商用纯镍腐蚀行为之间的相关性。结果表明，在研究范围内，随着电位的增加，镍的耐腐蚀性逐渐下降。在0.1 V电位下形成的钝化膜表现出优异的整体性能。较高的电位导致极化电阻降低、氧空位扩散系数增加以及Ni(OH)₂富集，从而降低了耐腐蚀性。晶界活性（由OH^–的优先吸附、微电偶效应和结构缺陷驱动）控制了晶间腐蚀，在过钝化电位下这种腐蚀现象加剧。

引言

氢能是一种优质的二次能源，具有清洁、零碳排放和可再生等优点[1]。与传统化石燃料相比，氢能的能量密度为142 MJ/kg，大约是汽油的3倍，是焦炭的4.5倍。其燃烧或电化学反应的最终产物仅为水，不会产生传统能源常见的污染物或碳排放[2]。因此，氢能在推动全球低碳经济和促进绿色、可持续发展中发挥着关键作用。氢生产过程的清洁性和成本效益为氢能产业的广泛发展奠定了基础。目前，氢的生产方法主要包括基于化石燃料的生产、工业副产品生成和水电解生产[3]。虽然基于化石燃料和化学副产品的生产方法具有成熟的技术和较低的成本，但它们存在污染问题，如碳排放。因此，水电解制氢成为最清洁、最方便的方法之一。这项技术在工业应用和学术研究领域都受到了广泛关注[4]。通过水电解制氢的技术途径包括：碱性水电解（AWE）[5]、质子交换膜水电解（PEMWE）[6]、固体氧化物电解池（SOEC）[7]和阴离子交换膜电解（AEM）[8]。其中，碱性电解技术因其相对较低的设备成本而成为主流选择。目前，像AWE这样的电解技术通常需要稳定或接近稳定的电源输入，以确保性能和可靠性。

双极板（BPs）在AWE系统中不可或缺，它们在电子/热量传递和电流分布方面发挥着关键作用[9]。然而，恶劣的操作条件（包括高温70～90°C、高碱性的KOH电解质以及电极处氧气/氢气的共存）对双极板的耐腐蚀性构成了严重挑战[10]。值得注意的是，大多数研究集中在提高电极上氢析出催化剂的电催化活性和耐久性上[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]；然而，关于碱性电解池中双极板腐蚀机制的研究仍然相对有限。腐蚀引起的双极板降解会导致性能下降、维护成本增加，甚至系统提前失效。因此，深入理解双极板的腐蚀行为对于碱性水电解器的可靠和低成本运行至关重要。

目前，成本效益促使AWE制造商采用镀镍碳钢双极板作为主要的防腐措施。镍及其合金对碱性环境的优异耐腐蚀性使其成为这些板件的核心防腐组件[18,19]。实际上，多项研究已经记录了纯镍及其合金在苛刻碱性环境中的基本腐蚀行为。例如，Garat等人[20]发现，冶金条件（冷轧/退火）和晶间硫偏聚控制了纯镍在40 wt.% KOH、130°C～180°C下的腐蚀。Liu等人[21]发现，工业级镍中的杂质会促进微电偶效应，导致局部腐蚀加速。此外，他们还表明阳极极化会破坏钝化膜的稳定性。Gras等人[22]证明，高镍合金在AWE环境中具有优异的钝化和抗应力腐蚀性能，而像304L这样的低镍钢由于其较低的钝化电位，容易发生氢致开裂。尽管这些研究通过阐明镍含量、硫偏聚和冶金加工的影响提供了重要的材料选择指南，但镍钝化膜的电位依赖性结构演变尚未得到充分研究。因此，镍镀层双极板在复杂AWE条件下的腐蚀机制和长期降解行为仍不清楚。全面了解镍在AWE介质中不同施加电位下的腐蚀行为有助于更深入地探讨极化对金属溶解和钝化膜演变（包括其形成和破坏）的影响。

基于以上要点，本研究探讨了在70°C模拟AWE环境中，不同施加电位对商用纯镍电化学响应和腐蚀机制的影响。研究旨在阐明镍表面状态对碱性水电解制氢过程中双极板耐腐蚀性的影响。具体来说，目标是阐明控制镍表面状态的演变机制，包括其在复杂AWE条件下的结构、组成、半导体性质和钝化膜的稳定性。这些发现为工业双极板在AWE应用中的服役能力提供了宝贵的见解。

材料制备

本研究中使用工业冷轧Ni200板材作为纯镍双极板材料。相应的化学成分见表1。样品通过激光切割成10 mm × 10 mm × 2 mm的尺寸。随后，使用400#至2000#的SiC纸机械研磨去除表面氧化层，并用50 nm SiO₂氧化物悬浮液对样品表面进行抛光。最后在酒精中超声清洗。

循环伏安测量

通过以2、5、10、20和50 mV/s的不同速率扫描–1.2至0.5 V，获得了纯镍样品的循环伏安图，结果如图1所示。在阳极和阴极扫描方向分别观察到了与镍氧化物和还原反应相关的多个电流峰。显然，从2 mV/s增加到50 mV/s的扫描速率对整个循环过程中的电流密度有显著影响。

结论

本研究通过电化学测试和微观结构表征系统地研究了施加电位对纯镍钝化行为的影响。主要结论如下：

• (1)
  在模拟AWE环境中的循环伏安图的阳极分支显示出三个明显的氧化区域，而阴极极化则表现为一个由氢析出反应主导的还原峰。
• (2)
  稳态电流密度随着R_p

作者贡献声明

Yue Chang：研究、方法学、数据整理、初稿撰写。Hong Luo：概念构思、撰写-审稿与编辑、监督、资金获取。Minglei Sun：撰写-审稿与编辑。

数据获取

支持本研究结果的数据可向通讯作者索取。

未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

Yue Chang：初稿撰写、研究。 Xianzhe Jin：初稿撰写、研究。 Hong Luo：审稿与编辑、资金获取、概念构思。 Minglei Sun：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号2021YFB4000100）和中国国家自然科学基金（项目编号52371047）的财政支持。