質子交換膜(PEM)電解水制氫技術可將多種可再生能源發電技術耦合于制氫生產中。膜電極是PEM水電解池的核心部件和物質傳遞、電化學反應發生的重要場所，制備方法、結構和性能直接影響PEM水電解池的壽命[1]。人們針對陽極催化劑的催化活性和穩定性開展了大量研究[2]，但針對多孔電極(催化層)的制備與結構優化的研究不多，目前，膜電極的制備方法主要是借鑒質子交換膜燃料電池。PEM電解水制氫技術的快速商業化和實用化，受困于膜電極組件性能和壽命的衰減，尤其是陽極側緩慢的氧析出電催化動力學特性、水傳輸和氣體排出困難等，已成為制約膜電極技術發展的關鍵。質子導電聚合物是構建催化層中質子傳輸通道的關鍵材料，一般選用Nafion膜，但電子絕緣性、不透氣性和親水性等問題，易導致催化層內部電子導電性及氧擴散通道的缺失，不利于多孔電極性能的提升[3-4]。

有序化結構與無聚合物使用，可創造出更多有利于氣-液傳輸的孔結構，從而避免催化劑表面氣泡效應導致的催化劑利用率降低、歐姆損失增大等問題，有望制備高性能、高穩定性的PEM水電解池。有鑒于此，本文作者開展無質子導電聚合物使用的有序化析氧電極的制備與性能研究，以適用于高電壓、高功率、高氣壓、高液流速度和硫酸等苛刻環境。

1實驗

1.1有序化電極基體的制備

將Ti網(北京產，500目)切割成尺寸為10 mm×10 mm的片狀，用作析氧電極基體。在陽極極化處理前，先進行預處理，步驟為:①堿性除油，將五潔粉(北京產)和無水碳酸鈉(北京產，AR)按質量比1∶1溶于去離子水中，再將Ti網放入其中，在85～90℃下水煮15～60 min，然后用毛刷洗去油漬，去離子水沖洗干凈;②酸洗，在90℃下，將Ti網浸泡于30%的HCl(上海產，AR)中，持續浸泡至溶液呈紅色，再將Ti網分別在無水乙醇(北京產，AR)和去離子水中用超聲波清洗10 min，最后，放置在烘箱中，80℃下真空(300 Pa，下同)烘干24 h，備用[5]。未經陽極極化處理的樣品，標記為N-Ti。

采用VMP2型多通道電化學工作站(法國產)，在三電極體系下通過陽極極化法對Ti網表面進行處理與微結構調控，CHI111型Ag/AgCl電極(上海產)、XR303型石墨對電極(上海產)分別作為參比電極、輔助電極。實驗在由質量分數10%的HF(北京產，AR)、98%的H2SO4(北京產，AR)和35%的HCl(北京產，AR)按體積比1∶1∶1組成的混合酸性溶液中進行。陽極極化電位45 V，處理時間60 min。陽極極化處理后，分別用無水乙醇和去離子水沖洗，再在烘箱中，80℃下真空烘干24 h。經陽極極化處理的樣品，標記為A-Ti。

1.2析氧電極的制備

將0.1 g氯銥酸(H2IrCl6，沈陽產，AR)與20 ml異丙醇(北京產，AR)混合，攪拌均勻，制成前驅體溶液，適量滴涂至A-Ti和N-Ti電極基體表面，在70℃下干燥后，放入預加熱的馬弗爐中，在340℃下熱處理10 min，重復上述操作，直至達到目標載量。用于電解單池測試，析氧電極IrO2的目標載量為0.05 mg/cm2;用于單電池測試，析氧電極IrO2的目標載量為0.50 mg/cm2。負載完畢的電極升溫至500℃，退火處理1 h，隨爐冷卻后取出，得到析氧電極，制成1 cm2的正方形。對應A-Ti和N-Ti電極，將析氧電極分別標記為IrO2/A-Ti和IrO2/N-Ti[6]。

1.3微觀形貌、元素成分及相結構分析

用SUPRATM55型掃描電鏡(德國產)觀察樣品的微觀形貌，加速電壓為15 kV，結合自帶的能譜儀對IrO2/A-Ti進行元素分析。為進一步研究陽極極化處理前后電極基體相組成的變化，用D/Max 2500型X射線衍射儀(日本產)對樣品進行XRD分析，CuKα，管壓35 kV、管流200 mA，掃描速率為10(°)/min，步長為0.02°。

1.4電化學性能測試

用VMP2電化學工作站(法國產)進行電化學性能測試。采用傳統的三電極體系，析氧電極為工作電極，Pt片(武漢產，AR)為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，0.5 mol/L H2SO4溶液為電解液，在標準的恒溫(25℃)玻璃電解池中進行測試。循環伏安(CV)測試的掃描速度為20 mV/s，電位為0～1.00 V;電化學阻抗譜(EIS)測試的頻率為10-2～105Hz，電位為1.18 V(vs.Ag/AgCl)，振幅擾動為10 mV;線性極化測試的掃描速度為1 mV/s，電位為1.20～1.40 V(vs.Ag/AgCl)。

1.5單電池測試

稱取一定質量的陰極催化劑40%Pt/C(英國產，AR)，與異丙醇、5%Nafion溶液(美國產，D520CS型)混合后，在冰浴條件下，用超聲波分散。在設定的溫度80℃下，噴涂至Nafion膜(美國產，N212型)表面，得到有陰極催化層的質子膜(CCM)型膜電極(陽極催化層為空白)。取1 cm×1 cm的IrO2/A-Ti和IrO2/N-Ti作為析氧電極，放置于PEM的空白一側，組合成膜電極。

在VMP2型電化學工作站上進行測試，用蠕動泵將去離子水從陽極側通入，通水流量為3 ml/min，在溫度為80℃時，測定水電解的極化曲線，掃描電位為1.35～2.80 V(vs.Ag/AgCl)，速度為1 mV/s。