《International Journal of Hydrogen Energy》：Zinc treatment to enhance nickel electrode performance for liquid alkaline water electrolyzers
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表面合金化Zn处理显著提升碱性水电解槽Ni网电极性能，通过浸渍法（600℃）和箔反应法（425℃）形成高比表面积Raney Ni结构，全cell过电位降低90-185mV，运行150小时稳定性良好。
Dylan H. Bauer|Grace Y. Lau|Xiong Peng|Michael C. Tucker
能源转换组，劳伦斯伯克利国家实验室，加利福尼亚州伯克利，94720，美国
摘要
将Raney Ni处理方法应用于Ni网状阳极电极表面，提高了液态碱性水电解器的性能。Ni网表面通过与Zn合金化来实现，合金化可以通过Zn盐的水溶液渗透或直接与Zn箔反应来实现。合金化的程度通过热处理步骤来控制。对于这两种方法，在将Zn从表面合金层中浸出后，都能获得细小的孔隙结构和增大的表面积。观察到的电极表面结构和性能对热处理温度非常敏感。在600°C下用Zn盐处理的电极，全电池性能提高了90 mV；而在425°C下与Zn箔反应的电极，在2 A cm?2和80°C的电流条件下，性能提高了185 mV。Zn处理方法能够产生稳定的运行性能：在600°C下用Zn盐处理的电极在150小时后没有性能下降；而在425°C下与Zn箔反应的电极，在1 A cm?2和80°C的电流条件下，性能下降速率为4.6 μV h?1。
引言
液态碱性水电解器通过水输入和电能输入产生氢气和氧气。尽管这项技术已经商业化了几十年，但仍有必要显著提高其性能，以增加效率并降低资本和运营成本[1]。有效的改进方法包括采用零间隙设计，使电极直接接触隔膜；研究电极结构、催化剂组成、隔膜设计和操作协议的影响；以及利用建模来优化LAWE技术的各个方面[2]。建模和实验表明，阳极产生的过电位较大，限制了电池性能，而增加比表面积可以大大降低过电位[[3], [4], [5], [6], [7], [8]]。在这里，通过Zn表面处理改进了基线Ni网状阳极的性能，从而提高了Ni的表面积。
许多方法已经成功提高了LAWE电极的性能，包括：使用高表面积结构（如Ni泡沫或Ni毛毡[7]）；通过热处理或添加Ni颗粒来增加Ni的表面积[9]；部分氧化Ni表面[10]；通过激光刻蚀或直流/射频溅射来粗糙化表面[11,12]；以及添加非Ni催化剂（如Fe或Co）[9,[13], [14], [15], [16]]。在电极表面添加Raney催化剂是一种特别有效的方法。Raney催化剂是通过将基础催化剂金属（Ni、Co等）与牺牲金属（通常是Al、Zn、Si）合金化制备的，然后通过浸出牺牲金属来在基础催化剂金属中产生细小的孔隙和高表面积[17]。已经证明Raney Ni可以提高LAWE的性能[11,[18], [19], [20], [21], [22]]，并且表面结合了Raney Ni颗粒的Ni网是一种广泛商用化的LAWE电极。这种方法的缺点是，单独合成Raney颗粒、将其制成可喷涂形式、沉积到Ni电极上并在高温下（通过烧结、等离子弧、燃烧火焰等）进行结合会增加工艺的成本和复杂性。
在这里，我们展示了一种简单的替代方法，即通过将Ni网表面与Zn合金化直接将其转化为Raney Ni，见图1。之前的研究使用电沉积在多孔Ni板或Ni泡沫上形成NiZn合金，结果表明这种方法可以增加电化学表面积并改善氢气和氧气的释放动力学，尽管没有完成全电池测试[23,24]。在这里，我们开发了两种制备Ni–Zn合金的替代工艺。“渗透”工艺是将Zn硝酸盐沉积在Ni网表面，然后通过热处理使Zn和表面Ni合金化。“箔”工艺是在还原气氛中直接使Zn箔与Ni网反应。这些工艺简单易行，使用温和的热处理（≤600°C），并且避免了粉末的合成和处理。传统的浸出方法会去除Zn，在网状结构上留下Raney Ni表面层。Ni表面的粗糙化增强了催化表面积，显著提高了全电池性能。
实验方法
在整个研究中，作为基准的“裸网”电极材料使用了线厚度为0.13毫米、线间距为0.65毫米的编织Ni网。SEM图像见补充信息中的图S4。
渗透工艺的开发
Zn渗透过程是通过将Zn硝酸盐从水溶液中沉积在Ni网上开始的，然后在350°C下将硝酸盐转化为ZnO，接着在还原气氛中将ZnO还原为Zn金属，并与Ni网反应（温度范围为500至1000°C）。沉积步骤在Ni网线上形成一层厚而粗糙的沉积物，但不会堵塞网孔，见图2a。与我们之前报道的Ni、Fe、Co和其他渗透金属[9,26]不同，Zn
结论
本研究展示了使用Zn–Ni合金来提高LAWE Ni网状阳极性能的方法。展示了两种在LAWE电极表面制备Zn–Ni合金的简单工艺。“箔”工艺是在还原气氛中使Ni电极与Zn箔反应，生成Zn–Ni合金表面层。“渗透”工艺是将Zn硝酸盐从水溶液中沉积在Ni电极上，然后通过热处理使其反应并还原为Zn–Ni合金。
CRediT作者贡献声明
Dylan H. Bauer：撰写——原始草稿，可视化，研究。Grace Y. Lau：可视化，研究。Xiong Peng：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。Michael C. Tucker：撰写——原始草稿，可视化，监督，方法论，研究，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Michael Tucker表示获得了E O Lawrence Berkeley国家实验室能源存储和分布式资源部门的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢美国能源部关键材料与能源创新办公室的氢能和燃料电池技术计划在合同编号DE-AC02-05CH11231下的支持。本文档是美国政府资助的工作成果。虽然相信本文档包含正确信息，但美国政府或其任何机构、加州大学董事会或其任何成员
