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为提升碱性电解效率，研究人员对比分析 CHT 和 CRS 电极，发现 CRS 电极性能更优，为工业应用提供新思路。
在全球能源需求不断攀升的当下，超过 80% 的能源依靠燃烧化石燃料来供应，可这一过程释放出大量污染气体，让地球环境日益恶化。寻找替代能源迫在眉睫，氢作为一种极具潜力的清洁能源，逐渐走进人们的视野。利用电解水制取绿色氢气的技术，有望缓解能源与环境的双重危机。然而，电解水技术的效率却不尽人意，仅为 50% - 60%，主要原因在于焦耳效应和寄生反应导致的大量能量损失。在众多制氢技术中，碱性电解槽（AEL）以其成本低、适用性强等优势，成为研究的热点之一。不过，电极作为碱性电解槽的核心部件，其性能直接影响着电解效率，可目前的电极却存在效率低、成本高等问题。
为了攻克这些难题，来自墨西哥国立理工学院（Instituto Polit′ecnico Nacional）的研究人员 Cerro - Ramírez Miguel Angel、Sandoval - Pineda Juan Manuel 等人开展了一项关于碱性电解阴极电极残余应力场效应的研究。他们的研究成果发表在《Heliyon》杂志上，为提升碱性电解性能带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，运用线性伏安法（LV）获取阴极扫描数据，以此确定氢析出反应（HER）的动力学参数；其次，利用电流脉冲技术绘制碱性电解槽的电流（I） - 电压（V）曲线；再者，通过 X 射线衍射法评估样品的残余应力场；最后，借助 Keyence 显微镜和 Keysight technologies 进行表面形貌分析。
下面来看具体的研究结果：
- 拓扑分析：研究人员借助高分辨率显微镜，对两种电极的表面进行了细致观察。结果发现，经过热处理的不锈钢阴极（CHT）电极表面较为平整光滑，就像平静的湖面；而经过喷丸处理的热处理不锈钢阴极（CRS）电极表面则发生了显著变化，出现了许多高峰和低谷，如同波澜起伏的山峦。CRS 电极的表面粗糙度大幅增加，相比 CHT 电极，其平均表面粗糙度高度提升了 500%，有效表面积更是增大了 420%。这意味着 CRS 电极拥有更多的活性位点，能够为电化学反应提供更广阔的 “舞台”。
- 残余应力评估：通过 X 射线衍射分析，研究人员发现经过喷丸处理的 CRS 电极表面存在残余压应力。这种应力的出现，就像是给电极注入了一股 “神秘力量”，使得电极的原子结构发生了微妙变化，从而对其电化学性能产生重要影响。
- 电化学测量：在氢析出反应的研究中，Tafel 斜率是评估催化性能的关键指标。研究人员通过线性伏安法测定了不同电极的 Tafel 斜率，发现 CRS 电极的 Tafel 斜率为113mVdec?1，明显低于 CHT 电极的125mVdec?1。这表明 CRS 电极在氢析出反应中具有更高的活性，能够更高效地促进水分解产生氢气。此外，在过电位方面，CRS 电极同样表现出色，其在10mAcm?2电流密度下的过电位仅为 0.27V，而 CHT 电极则高达 0.38V。在评估电解槽性能的关键指标 —— 电压 - 电流（V - I）曲线测试中，CRS 电极的优势也十分突出。在50mAcm?2的电流密度下，CRS 电极所需的电压仅为 1.64V，比 CHT 电极低了 100mV，这意味着使用 CRS 电极的电解槽在运行时能够消耗更少的能量，进一步证明了 CRS 电极的高效性能。
综合上述研究，研究人员得出结论：在电极表面引入残余应力场，能够显著降低氢析出反应所需的电位，从而提升碱性电解槽的性能。CRS 电极在氢析出反应中表现卓越，主要归因于两个关键因素：一是其微观结构的改变，影响了氢的吸收量和吸收速率；二是残余应力改善了氢析出反应的动力学，降低了 Tafel 斜率。喷丸处理技术不仅有效增加了电极的表面积，而且具有良好的可重复性和可扩展性，在工业生产中具有极大的应用潜力。此外，用于表面改性的机械和热处理对不锈钢的整体成本影响极小，不会增加生产成本，使得该技术更具经济可行性。
这项研究成果意义重大，它为碱性电解技术的发展开辟了新的道路。通过优化电极表面处理技术，有望大幅提高碱性电解的效率，降低生产成本，加速绿色氢气的工业化生产进程，为全球能源转型和环境保护提供有力支持。同时，研究人员也指出，未来的研究可以朝着提高电催化剂的电导率、增加氧化还原中心以及增强高电位下的耐腐蚀性等方向展开，进一步挖掘碱性电解技术的潜力，推动清洁能源领域的发展。
