鎳鈷鐵合金微柱之電鍍研製及其在電解水析氧之研究

本計畫主旨在製作具有高催化活性之鐵族(鐵、鈷、鎳)合金微柱，以取代貴金屬做為鹼性水電解(AEM)產氫之關鍵陽極材料，搭配前期計畫所得之高活性析氫陰極(鎳鉬鎢三元合金)，組裝成低成本、高效率之電極組合，促進國內電解水產氫之技術發展。本研究團隊利用專利之影像導引微電鍍法，除在前期計畫之成果，已獲得一系列電解產氫高活性陰極材料(鎳包括鎳鋅、鎳鉬、鎳鉬鎢等合金，請參閱前期成果報告)，在先導實驗，也已製備出具有奈米晶與非晶之鎳鐵、鈷鐵及鎳鐵鈷合金微柱，在低陽極過電位下顯示出極高的催化電流，初步究其原因，顯示此等陽極表面在氧化後形成高穩定性氫氧化物，因而能維持析氧反應(oxygen evolution reaction, OER)高催化活性。由此等合金之陽極特性優勢，值得進一步探討合金微柱之形貌、組成、結構對其OER活性、機械性質與使用壽命之影響，進而製備自我支撐型之微柱陣列電極，來建構低成本、高效率之電極組。本計畫在實驗上，將改變電場強度、合金元素離子濃度、螯合劑、電極間距等參數，來討論這些因素對二元鐵族合金在組成、微觀結構上，對OER催化活性之影響。本研究所得最佳組成之鐵族合金，將製備成5×5 及10×10陣列陽極，搭配最佳之陰極(鎳鉬鎢合金)及商用鹼性陰離子交換膜(X37-50)組成電解槽裝置，進行定電流產氫、產氧等測試並分別收集氫、氧氣，計算電解效率。此外，鉻元素將添加至鐵族合金微柱中，透過腐蝕研究技術(塔弗曲線、陽極動態循環極化與交流阻抗頻譜)探討其對增高OER活 性、陽極氧化、腐蝕行為與使用壽命之影響，提出此等合金陽極在在鹼性環境中之腐蝕與氧化機制。