腐蚀工程在碱性电解水电极制备中的应用进展综述
作者及发表信息
本文由海南大学材料科学与工程学院黄全斌、张旭、林世伟、刘一蒲（通讯作者）团队与吉林大学化学学院邹晓新（通讯作者）、陈辉（通讯作者）团队合作完成，发表于2025年《Chemical Synthesis》第5卷第57期，开放获取（Creative Commons Attribution 4.0国际许可）。
主题与背景
本文系统综述了腐蚀工程（Corrosion Engineering）在碱性电解水（Alkaline Water Electrolysis）电极制备中的最新研究进展。随着全球能源危机加剧，绿氢（Green Hydrogen）作为清洁能源载体备受关注，而碱性电解水技术因其成熟性和成本优势成为工业制氢的重要路径。然而，传统电极材料（如镍网、雷尼镍）在高电流密度（≥1 A·cm⁻²）下的活性和稳定性不足，且规模化制备工艺复杂。腐蚀工程通过调控金属基底的腐蚀反应生成高活性腐蚀产物（如层状双氢氧化物LDH），为工业化电极制备提供了低成本、易放大的新策略。
主要观点与论据
1. 氧腐蚀（Oxygen Corrosion）的高效电极设计
氧腐蚀利用金属与氧气间的电位差驱动腐蚀反应，生成具有催化活性的金属氢氧化物。Liu等通过铁基板在Ni²⁺溶液中的氧腐蚀，制备了大面积NiFe-LDH电极（0.1×1 m²），在1 M KOH中实现500 mA·cm⁻²下257 mV的低过电位，并稳定运行超过5,000小时。其机制涉及Fe/Ni置换反应和局部pH升高诱导的共沉淀（图2c）。Zhao等进一步提出腐蚀电池模型（图2d），揭示了NiFe合金作为阴极加速Fe基底溶解的动态过程。Wang等通过Cl⁻加速腐蚀策略，在4分钟内合成NiFe-LDH纳米片阵列（NF@NiFe-LDH-1.5-4），其工业级电流密度（657 mA·cm⁻²）下过电位仅220 mV。
支持证据：
- 原位拉曼光谱（In Situ Raman）证实腐蚀产物在OER过程中重构为高活性NiOOH相（图2g）。
- 理论计算表明Cl⁻通过破坏钝化膜促进金属离子释放（图3c），而Fe³⁺优化了Ni的eg轨道占据，降低OER能垒。
2. 氢演化腐蚀（Hydrogen Evolution Corrosion）的协同效应
氢演化腐蚀通过H⁺还原反应溶解金属基底，结合氧腐蚀生成非晶态氢氧化物。Sun等利用HCl活化铁镍泡沫（INF），调控Fe/Ni原子比，制备的INF-S电极在20 mA·cm⁻²下过电位为231 mV。Zhou等开发气相硝酸腐蚀策略，避免了溶液直接接触导致的过度腐蚀，合成的C-NFF(5:5)-LDH(6)/Fe₂O₃具有晶态-非晶界面，其OER过电位低至220 mV（10 mA·cm⁻²）。
支持证据：
- 能量色散X射线光谱（EDX）显示Fe/Ni原子比纳米级不均匀分布（图5e），增强了活性位点密度。
- 酸性气体腐蚀形成的Fe₂O₃异质结促进了电子转移（图5a）。
3. 氧化剂腐蚀（Oxidant Corrosion）的快速合成
强氧化剂（如H₂O₂、S₂O₈²⁻）可加速金属溶解并调控产物形貌。Chen等利用(NH₄)₂S₂O₈在10分钟内合成缺陷丰富的Ni(Fe)OOH/Ni(Fe)Sₓ纳米片阵列，其OER过电位为227 mV（10 mA·cm⁻²）。Song等通过H₂O₂氧化和S²⁻阴离子交换制备了硫掺杂的La-S-NiFe-LDH/NFF（图6d），其晶格氧介导机制（LOM）使100 mA·cm⁻²过电位降至245 mV。
支持证据：
- 工业级不锈钢电极（1 m×1 m）在30% KOH中稳定运行120小时（图6b）。
- 原位表征显示S诱导的非晶结构增强了Ni-O共价性，促进O₂脱附（图6d）。
4. 微生物腐蚀（Microbial Corrosion）的环境友好策略
微生物代谢产物（如硫酸盐还原菌SRB的S²⁻）可定向合成催化材料。Yang等通过SRB腐蚀制备的Ni(Fe)(OH)₂-FeSₓ电极中，Fe-S物种优化了*O中间体吸附能，OER过电位为220 mV（10 mA·cm⁻²）。Zhang等引入磁场辅助SRB腐蚀，进一步将FeS与Ni(Fe)OOH耦合，100 mA·cm⁻²过电位降至287 mV。
支持证据：
- 自由能计算表明Fe-S降低了*O→*OOH的能垒（图7c）。
- 微生物代谢与腐蚀反应的协同作用可通过环境因素（如pH、离子浓度）调控（图7e-f）。
工业成本与规模化潜力
本文对比了腐蚀电极与商业雷尼镍的成本（表1）：
- 电力成本：腐蚀电极生产1 m³ H₂耗电3.4–3.7 kW·h，低于雷尼镍的4.0 kW·h。
- 材料成本：氧腐蚀/氢演化腐蚀电极制备成本约1,200元/0.25 m²，而雷尼镍需1,500元（等离子喷涂设备）。微生物腐蚀因培养复杂度成本较高。
科学价值与应用前景
1. 机制创新：揭示了置换反应、钝化腐蚀等动态过程，为催化剂设计提供理论指导。
2. 工业适配性：腐蚀工程无需高温煅烧或水热反应，可直接在金属基底上生长电极，适合大面积制备（如600 cm²电极，图4a）。
3. 多场景应用：腐蚀电极在淡水/海水电解中均表现优异，例如S-(Ni,Fe)OOH在碱性海水中需1.837 V即可达到500 mA·cm⁻²。
未来挑战：
- 需开发耐Cl⁻腐蚀的基底（如钛网）以适配海水电解。
- 通过原位表征技术（如原位TEM）深化腐蚀动力学研究。
本文为绿氢产业的电极材料开发提供了从基础研究到工业放大的全面视角，凸显了腐蚀工程在可持续能源领域的战略价值。