引言：电解水是一种具有环境友好、清洁高效等特点的新型储能技术，在可再生能源发电、大规模储能和可持续交通等领域具有广阔的应用前景。电催化剂是电解水反应的核心，其活性高低直接影响电解水的性能。传统的贵金属催化剂因其价格昂贵、资源有限等问题，导致电解水制氢效率低、成本高。因此，开发一种低成本、高效率的电催化剂对电解水领域的发展至关重要。

一、电解水制氢技术与镍基自支撑电极的概述

1.1 电解水制氢原理

在进行电解水制氢的过程中，主要是通过电解槽，将水分解成氢气和氧气，然后通过收集装置将氢气和氧气进行收集，并对其进行储存，最终完成氢气的制备。在这个过程中，涉及的主要是电化学反应原理，水在一定条件下会分解成氢气和氧气。这一过程与电解水的原理是相似的。一般情况下，氢原子在阴极上进行还原反应，而氧原子则在阳极上进行氧化反应。在电解水制氢的过程中，需要注意的是电解装置的选择以及电极材料的选择等问题。由于电解水过程中会涉及各种电极材料，因此需要根据实际情况进行合理选择和设计，以提升电解水制氢效果。

1.2 电解水制氢的优势与挑战

相比于其他制氢方法，电解水制氢具有诸多优势。首先，电解水制氢是一种清洁可再生能源制氢技术，不会产生有害物质；其次，电解水制氢具有大规模、低成本、可持续等优势；最后，电解水过程不会产生大量的二氧化碳和其他污染物。然而，电解水制氢也存在一些挑战。首先，电解水制氢需要使用到贵金属催化剂，其价格较高且资源有限；其次，由于氢气和氧气的氧化反应非常复杂，需要经过复杂的过程才能得到最终产物，目前为止，只有少数几种金属被用于电解水制氢系统中。因此，开发新的电催化剂来替代昂贵的贵金属催化剂是实现电解水大规模、低成本和可持续的关键。

1.3 镍基自支撑电极的制备方法

镍基自支撑电极一般由金属层和碳层构成。金属层为镍基合金，碳层为碳纳米管或石墨烯等。其中，镍的导电性较强，可以起到导电作用。同时，镍还具有较高的表面活性，能够促进析氢反应和析氧反应。镍基自支撑电极的制备方法主要有水热合成法、溶胶凝胶法、电沉积法和电化学沉积法等。其中，水热合成法和溶胶凝胶法制备自支撑电极具有工艺简单、成本低廉等优点；电沉积法则具有操作简单、易于操作、成本低等优点；电化学沉积法则具有能耗低、制备过程简单等优点。

二、镍基自支撑电极在电解水制氢中的应用研究

2.1 镍基自支撑电极的电催化活性评价

通过研究镍基自支撑电极的电催化活性，我们可以发现其具有优异的电解水性能，比如其在酸性电解液中的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）的催化活性，相比于商用铂基合金电极，其催化性能有了大幅度提升。另外，在镍基自支撑电极中加入不同组分，我们可以得到不同结构的镍基自支撑电极，比如 NiO/Cu、 NiO/S以及 NiO/CoO等。

2.2 镍基自支撑电极的稳定性研究

对镍基自支撑电极的稳定性研究，可以为其在工业应用中提供重要指导意义。在酸性电解液中， NiO/C B的稳定性要优于商用铂基合金。NiO/C B表面存在大量的活性位点，可以降低活性位点上的吸附能，从而增强其稳定性。另外， NiO/C B中的 Ni (OH)2通过与表面羟基形成离子键而被有效固定。相比于其他镍基自支撑电极， NiO/C B电极具有较好的稳定性。此外，为了增强其稳定性，研究者还研究了其他组分对 NiO/C B电极性能的影响。比如：加入 Zn O、 MnO或TiO2等物质，可以有效降低 NiO/C B电极表面的吸附能，从而增强其稳定性。

2.3 镍基自支撑电极的析氧反应机理

对于 NiO/C B电极而言，其催化机理主要为两种：一种是 Ni (OH)2与 OER反应的直接电子转移过程，即 Ni (OH)2先发生氧化，然后再发生还原反应。对于 NiO/C B电极而言， OER过程中需要的活化能远小于 HER过程中的活化能。另外，研究者发现 NiO/C B电极中的 Ni (OH)2是通过 OER途径和 HER途径共同作用来起到催化作用的。

三、镍基自支撑电极的改性与优化

3.1 镍基自支撑电极表面改性

当电流密度较低时，镍基自支电极表面会出现大量的吸附态物种，从而导致析氢反应活性较差。为了解决这一问题，学者们进行了如下几个方面的研究：通过构建三维纳米结构，如二维纳米片、纳米管等，提升镍基电极的比表面积和活性位点。通过引入过渡金属离子、小分子等作为复合组分，改善 Ni基自支电极的电子传输速率。在镍基电极表面原位生长金属纳米颗粒，利用颗粒间的相互作用和界面效应，增强活性位点。通过原位沉积的方式将过渡金属沉积在镍基电极表面，提升镍基自支电极表面的活性位点数量和质量。

3.2 镍基自支撑电极结构优化

镍基自支撑电极的表面结构对催化性能影响较大，因此，在提升镍基自支电极的催化活性时，需要对其结构进行优化。目前，基于三维结构的镍基自支电极具有比表面积大、孔道多等优点，受到了研究者的广泛关注。在三维结构中，镍纳米颗粒与碳纳米管之间的空间距离对于电化学反应有重要的影响。为了优化其电催化性能，研究者提出了以下策略：0通过形成多层次的网络结构来增加比表面积；构建更多的微孔和中孔来增加活性位点；通过将不同结构和组成的镍纳米颗粒复合在一起来实现提高催化活性和稳定性；利用核壳结构、异质结构等方法来提升镍基电极的导电性。

3.3 镍基自支撑电极催化剂掺杂

当电流密度较低时，由于电子传递速率较慢，导致催化剂活性位点少，从而降低催化性能。为了提升镍基自支撑电极的催化性能，需要对其进行掺杂改性。目前，主要采用三种方法进行掺杂改性：在镍基电极表面掺杂少量的过渡金属离子或小分子以提高其导电性，进而改善催化剂活性位点的数量和质量；通过在镍基电极表面引入不溶性过渡金属离子或小分子以提升催化剂活性位的分散性，进而增强催化性能；通过在镍基电极表面引入高导电性的碳材料，增加催化剂表面的电荷密度和迁移速率，进而提升催化剂活性位点的数量和质量。

结语

近年来，自支撑电极材料在电解水制氢领域得到了广泛的研究和应用。作为一种廉价、高效的电催化剂，自支撑电极材料能够实现电能－化学能的相互转化，在电化学储能领域展现出巨大的应用前景。但是，目前仍存在诸多问题。首先，制备方法较为单一，导致材料形貌和结构无法充分调控；其次，电化学性能评估缺乏统一标准；最后，对材料结构、组成和性能之间的关系研究尚不完善。因此，应深入研究自支撑电极材料的制备方法、结构与性能之间的关系以及对材料进行改性和优化，以改善电极材料的电催化性能并拓展其应用领域。

参考文献

[1] 绿氢已成为未来维护能源安全的重要方向[J]. 程明睿；高宏.,2022(10)

[2] 电解水制氢发展概况之一:碱式电解水[J]. 刘太楷；邓春明；张亚鹏.,2019(04)