韓國(guó)能源研究院（Korea Institute of Energy research）部門(mén)耦合集成融合研究中心的Ji-Hyung Han博士的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高性能碳布基電極，即使在高電流條件下也能保持穩(wěn)定的性能。新開(kāi)發(fā)的電極是第一個(gè)使用碳布支撐的海水電解電極，在高電流條件下成功連續(xù)運(yùn)行超過(guò)800小時(shí)，突出了其商業(yè)化潛力。

水電解是一種通過(guò)分解水產(chǎn)生氫氣的環(huán)保技術(shù)。雖然它主要依靠淡水，但對(duì)全球水資源短缺的擔(dān)憂日益增加，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注直接利用海水的電解。

海水電解系統(tǒng)的性能和壽命在很大程度上取決于電極中使用的催化劑和均勻分布催化劑的電極支架。雖然鉑和釕等貴金屬催化劑是常用的，但最近的研究主要集中在非貴金屬催化劑或由于成本問(wèn)題而盡量減少貴金屬使用的方法上。

電極支持也有問(wèn)題。金屬基支架極易受到氯離子的腐蝕，這顯然限制了它們的使用壽命。作為一種替代品，碳布因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、耐腐蝕性、柔韌性和成本效益而出現(xiàn)。然而，現(xiàn)有的碳布基催化劑在商業(yè)化方面面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诠I(yè)應(yīng)用所需的大電流操作（高于500mA/cm2）和超過(guò)100小時(shí)的長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)性能下降和結(jié)構(gòu)損壞。

研究小組通過(guò)優(yōu)化酸處理工藝，開(kāi)發(fā)出了提高制氫效率的碳布基電極，克服了傳統(tǒng)電極的局限性。新開(kāi)發(fā)的電極將施加在電極上的過(guò)電位降低了25%，使析氫反應(yīng)（HER）的效率是現(xiàn)有電極的1.3倍。

為了提高電極的反應(yīng)性，研究小組專注于對(duì)碳布進(jìn)行酸處理。酸處理包括將布浸入100°C的高濃度硝酸溶液中一小時(shí)。然而，過(guò)程中的蒸發(fā)會(huì)引起酸濃度的波動(dòng)，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)專門(mén)的酸處理容器，以防止?jié)舛茸兓晒Φ貎?yōu)化了碳布支架的表面處理。

經(jīng)酸處理的碳布支架具有較高的親水性，促進(jìn)了鈷、鉬和釕離子在其表面的均勻分布。特別是，貴金屬釕均勻地分散在整個(gè)支架中，即使用量很少，也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電化學(xué)性能。

結(jié)果，與傳統(tǒng)的CoMo催化劑相比，釕摻入鈷鉬（CoMo）催化劑的過(guò)電位降低了約25%，盡管按重量計(jì)只使用了約1%的釕。通過(guò)降低所需的過(guò)電位，催化劑使析氫反應(yīng)在相同電流密度下的效率提高了約1.3倍。

即使在500mA/cm2的高電流條件下連續(xù)運(yùn)行800多小時(shí)后，催化劑涂層電極仍保持其初始性能。對(duì)電極的事后分析顯示，電解液中沒(méi)有釕和鈷等金屬離子的浸出，具有良好的耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，該團(tuán)隊(duì)成功地合成了一個(gè)面積為25平方厘米的大面積電極，顯示出可擴(kuò)展性和實(shí)際應(yīng)用的潛力。

KIER的Ji-Hyung Han博士說(shuō)：“該技術(shù)標(biāo)志著世界上第一個(gè)使用碳布基電極在工業(yè)級(jí)高電流條件下長(zhǎng)期運(yùn)行超過(guò)一個(gè)月的成功案例。”

她補(bǔ)充說(shuō)：“我們計(jì)劃通過(guò)延長(zhǎng)1000小時(shí)以上的耐久性測(cè)試和研究擴(kuò)展到大面積電池模塊和電堆，進(jìn)一步將該技術(shù)提升到示范水平。”

這項(xiàng)研究得到了韓國(guó)科學(xué)和信息通信技術(shù)部下屬的國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究委員會(huì)（NST）的支持。該研究結(jié)果發(fā)表在國(guó)際知名雜志《應(yīng)用表面科學(xué)》（Applied Surface Science） 2025年5月的網(wǎng)絡(luò)版上。