生物质基石墨电极在电解水制氢中的开发与性能优化研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Development of newly designed biomass-based electrodes used in water electrolysis for clean hydrogen production

本文推荐一项关于利用马铃薯淀粉合成石墨负载生物阴极用于清洁氢能生产的研究。针对传统电解水制氢中贵金属催化剂成本高、工艺复杂的问题，研究人员开发了一种低成本、可持续的生物电极材料。研究结果表明，该石墨-淀粉复合电极在6 V电压下可实现1000 ppm的产氢速率，法拉第效率达94.26%，为绿色氢能生产提供了新型电极材料解决方案。

　　

随着全球能源转型进程的加速，氢能作为清洁高效的二次能源载体备受关注。然而，当前全球95%以上的氢气仍通过化石燃料重整制得，这一过程伴随着大量二氧化碳排放。电解水制氢技术虽然环保，却面临电极材料依赖贵金属、生产成本高昂的瓶颈。以铂为代表的传统催化剂价格昂贵，且资源稀缺，严重制约了绿色氢能的大规模推广应用。在这一背景下，开发低成本、可持续的新型电极材料成为突破困局的关键。

近日发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的一项研究提出了一种创新解决方案。加拿大安大略理工大学清洁能源研究实验室的A. Yagmur Goren和Ibrahim Dincer教授团队利用马铃薯淀粉与石墨复合，成功研制出具有优异性能的生物质基电极，为绿色氢能生产提供了新的技术路径。

研究人员采用响应面法优化实验设计，通过扫描电子显微镜表征材料形貌，利用X射线衍射和傅里叶变换红外光谱分析材料结构，并采用电化学工作站系统评估电极性能。通过单室无膜电解槽实验，详细探究了不同操作参数对产氢性能的影响规律。

3.1 生物电极表征结果

扫描电镜分析显示，石墨-淀粉复合电极呈现粗糙多孔的网格结构，这种结构有利于电解质渗透和氢气气泡的释放。元素分析表明电极材料含碳77.7wt%，氧22.3wt%，石墨颗粒与淀粉基质结合良好。XRD图谱在2θ≈26.5°处显示明显的石墨(002)晶面衍射峰，证实材料具有良好的石墨化晶体结构。FTIR光谱揭示了淀粉与石墨之间存在较强的相互作用，电极表面含有丰富的含氧官能团，这些特性有助于提升电化学性能。

3.2 电化学测量结果

循环伏安测试表明，石墨负载量对电极性能影响显著。当石墨含量从0.1g增加至1.5g时，电流密度从0.2mA/cm²提升至0.7mA/cm²。计时安培法测试显示电极在0.8V电位下能保持2.2mA/cm²的稳定电流密度。线性扫描伏安法进一步证实，1.5g石墨电极在1.8V电位下可实现36.5mA/cm²的电流密度。塔菲尔斜率分析表明，随着石墨含量增加，电极反应动力学显著改善，1.5g石墨电极的塔菲尔斜率仅为74mV/dec。更重要的是，该电极的法拉第效率达到94.26%，远高于低石墨含量电极。

3.3 操作参数影响

通过响应面法系统研究了电压、电解质浓度和石墨用量对产氢性能的交互影响。结果表明，在6V电压、3M KOH电解质和1.5g石墨用量的最优条件下，产氢速率可达1000ppm（8.18mg/m³min）。值得注意的是，在中等参数范围（4-5V电压，1.5-2M电解质浓度）观察到产氢速率下降，这可能是由于欧姆损耗增加和副反应加剧所致。

该研究成功开发了一种以可再生生物质为原料的绿色电极材料，其产氢性能与许多传统电极材料相当，而成本大幅降低。技术经济分析显示，整个电解系统总成本仅为71.32美元，凸显了该技术的经济可行性。这种石墨-淀粉复合电极不仅为电解水制氢提供了可持续的材料解决方案，也为生物质资源的高值化利用开辟了新途径。未来通过进一步优化电极结构和表面改性，有望实现更高效的绿色氢能生产，推动能源结构的低碳转型。

这项研究的创新之处在于将常见的生物质材料与基础碳材料有机结合，既保持了电极的良好导电性，又赋予了材料环境友好特性。相比需要贵金属或复杂工艺的传统电极，这种生物质基电极制备简单、原料易得，为大规模可再生能源制氢提供了切实可行的技术方案，对实现碳中和目标具有积极意义。