钽基核心材料—钽铱网在海水电解制氢中的关键优势与核心价值

在氢能产业加速发展的当下，海水电解制氢因突破淡水资源限制成为绿氢生产的重要方向，而钽作为核心构成元素，与铱形成的钽铱网（Ir/Ta mesh）更是成为海水电解流动电解槽阳极的优选材料。钽的独特理化特性，赋予了钽铱网优异的电化学性能、耐腐蚀性和结构稳定性，成为解决海水电解核心技术难题的关键，其在电极材料中的优势与重要性无可替代。

钽的固有特性，铸就钽铱网的核心性能基底

钽本身具备的高耐腐蚀性、高熔点、良好的电化学惰性与金属结合性，是其能成为海水电解高端电极核心组分的根本原因，也是钽铱网超越其他电极材料的核心基础。

1. 极致的耐腐蚀性，适配海水强复杂电解质环境

海水富含NaCl、MgCl₂等多种无机盐，氯离子浓度高、电解质体系复杂，对电极材料的耐蚀性提出严苛要求。钽的化学稳定性极强，在中性、酸性甚至部分碱性环境中均不易被腐蚀，更不会与海水中的离子发生副反应，能有效抵抗海水的长期侵蚀。这一特性让钽铱网在人工海水电解的长期测试中（1小时恒电流操作），表面无任何金属褪色、结构破损或腐蚀痕迹（图1），彻底解决了普通电极在海水中易失效、寿命短的问题。

图1. 经1小时长期测试后的Ir/Ta网状结构.

2. 优异的电化学惰性，避免副反应干扰电解过程

海水电解的核心是实现氧析出反应（OER）的高选择性，减少氯析出反应（CER）等副反应。钽本身具有良好的电化学惰性，在海水电解的电位区间内，不会自身参与氧化还原反应，也不会催化氯离子的氧化，仅作为优质基底承载铱的OER催化活性，从根本上减少了非目标副反应的发生，为钽铱网实现高效OER催化奠定了基础。

3. 良好的金属结合性与结构稳定性，保障电极长效性能

钽的金属键结合能力强，能与铱形成均匀、致密的合金网状结构，让铱的催化活性位点稳定附着在钽基骨架上，避免催化组分在电解过程中脱落、流失。同时钽的熔点高达2996℃，热稳定性极佳，在电解过程中即使产生局部温升，也不会导致电极结构变形，让钽铱网始终保持稳定的网状结构，保障电解液的顺畅流通和电荷的高效传导，使流动电解槽的体系电阻始终维持在2.2 ohm的低水平，确保电解过程的高效性。

钽为核心的钽铱网，成为海水电解阳极的最优选择

以钽为基底的钽铱网，将钽的结构优势与铱的OER催化优势完美结合，成为商用海水电解阳极的核心材料，其性能表现远超其他电极，是海水电解制氢中不可替代的关键部件，这也是钽在新能源电极材料中重要性的直接体现。

1. 低过电位高催化活性，OER性能碾压同类电极

海水电解的核心目标是高效实现OER，而钽基钽铱网的OER催化活性表现优异。研究实测数据显示，钽铱网的OER过电位仅为430 mV，远低于负载氧化锰（MnOx）后的钽铱网（540 mV）和铂钛网阴极（590 mV）（图2）。这一优势源于钽的惰性基底让铱的催化活性位点充分暴露，无多余副反应干扰，能在更低的电位下实现水的氧化分解，大幅降低海水电解的能耗，提升制氢效率。

图2. Ir/Ta网状结构、Ir/Ta + MnOx及铂化钛筛网—通过Randles-Sevcik方程确定的表面积对循环伏安法进行归一化处理，实验条件为铁/亚铁氰化物-0.1M氢氧化钾电解液。

2. 结构适配性强，完美契合流动电解槽设计

研究选用的钽铱网为4.5×4.5 cm²规格，适配5×5 cm²活性面积的流动电解槽，且钽基网状结构具有特定的几何面积换算系数（表1），能与电解槽的EPDM垫片、离子交换膜精准匹配，形成紧密的“三明治”组装结构（图3）。钽的结构刚性让电极在组装压缩过程中不会发生变形，既保证了电极与膜的紧密接触，又避免了膜的破损，有效降低了接触电阻，让整个电解体系保持低电阻、高传导的特性。

表1. 用于计算几何面积的Ir/Ta筛网（与Ir/Ta + MnOx相同）及Pt Ti筛网的尺寸参数。Ir/Ta筛网（与Ir/Ta + MnOx相同）的通用转换系数.

图3.流动电解槽组件示意图。(a)塑料基壳体板，配有电解液进出口适配器；(b) EPDM 泡沫层；(c)Nafion R○117膜；(d)两侧覆有薄 EPDM 泡沫层；(e)膜两侧分别设置阳极与阴极电极；(f)流动电解槽夹层结构；(g)铜导线连接双电极与波形驱动恒电位仪；(h)组装完成的流动电解槽；(i)Ir/Ta网状结构作为阳极电极；(j)Pt-Ti筛网作为阴极电极.

3. 长效稳定运行，为规模化海水电解提供可能

规模化海水电解制氢对电极的长周期稳定性要求极高，而钽基钽铱网的稳定性表现堪称优异。在0.5 A恒电流的人工海水电解长期测试中，钽铱网不仅表面无腐蚀，其槽压还随极化时间延长略有降低（图4），展现出越用越稳定的特性。这一表现得益于钽的高耐腐蚀性和结构稳定性，能有效抵抗海水的长期侵蚀和电解过程的电位冲击，解决了普通电极在海水中易衰减、需频繁更换的痛点，为海水电解制氢的规模化、工业化应用提供了核心材料支撑。

图4. Ir/Ta网片CP测量结果的屏幕截图，长期测试时间为1小时。

钽的基底优势，让钽铱网改性具备可操作性，突破海水电解核心难题

海水电解的最大技术难题是OER与CER的竞争，钽铱网虽具备优异的OER活性，但仍需通过改性进一步抑制CER，而钽的稳定基底特性，让钽铱网的改性具备良好的可操作性和效果稳定性，为突破这一核心难题提供了关键前提，这也是钽在海水电解材料研发中重要性的延伸体现。

为抑制CER、提升OER选择性，研究采用电沉积法在钽铱网表面负载MnOx涂层，而钽基基底的两大优势让改性效果事半功倍：

1. 钽的表面稳定性强，能与MnOx涂层形成良好的结合力，让负载的MnOx均匀附着在钽铱网表面，形成致密的氯离子扩散屏障，有效阻挡氯离子向阳极催化位点扩散；

2. 钽的电化学惰性不会与MnOx涂层发生副反应，确保MnOx涂层的作用仅为抑制CER，不会干扰铱的OER催化活性。

改性测试结果显示，负载20 mC/cm² MnOx的钽铱网，在0.5 A高电流操作下，CER法拉第效率大幅降低，且多次测试后性能稳定（图5），同时电解槽压还从原始钽铱网的5.32 V降至4.85 V（表2）。若没有钽的稳定基底支撑，MnOx涂层易剥离、改性效果易衰减，根本无法实现长效的CER抑制。而钽基钽铱网的改性成功，为解决海水电解OER/CER竞争难题提供了有效方案，这一成果的核心基础正是钽的优异特性。

图5. 在0.5 A电流操作条件下，氯法拉第效率与不同MnOx负载量的关系。

表2. 通过时序电位法（CP）研究MnOx在Ir/Ta网状结构上不同负载条件下的平均电压分析。

钽在海水电解制氢产业中的不可替代性，彰显核心材料价值

从实验室研究到工业化应用，钽作为钽铱网的核心基底，其优势贯穿海水电解制氢的全流程，成为该产业发展中不可或缺的核心材料，其重要性体现在三个层面：

1. 材料层面：钽的耐腐蚀性、电化学惰性和结构稳定性，是现有金属材料中适配海水电解环境的最优选择之一，尚无其他金属能在综合性能上替代钽成为高端海水电解电极的基底；

2. 性能层面：钽为钽铱网提供了稳定的结构和电化学基底，让铱的催化活性充分发挥，实现了OER的高活性、低能耗，同时让电极具备长效稳定性，为海水电解制氢的效率提升和成本降低奠定了基础；

3. 产业层面：钽基钽铱网的成功应用和可改性性，突破了海水电解的核心技术难题，为海水电解制氢的规模化、工业化发展提供了核心材料支撑，推动氢能产业摆脱对淡水资源的依赖，实现绿氢生产的可持续发展。

总结：钽—海水电解制氢的核心材料基石

钽凭借其极致的耐腐蚀性、优异的电化学惰性、良好的结构稳定性和金属结合性，成为钽铱网的核心构成元素，也铸就了钽铱网作为海水电解阳极材料的核心优势。从适配海水复杂的电解质环境，到保障电极的高催化活性、长效稳定性，再到支撑电极改性突破海水电解核心难题，钽的每一项特性都在海水电解制氢中发挥着不可替代的作用。

作为海水电解高端电极的核心基底材料，钽不仅是实验室研究中实现高效、选择性海水电解的关键，更是未来海水电解制氢规模化、工业化发展的材料基石。其在新能源电极材料中的独特优势和核心价值，也将随着氢能产业的发展，得到更广泛的认可和应用。

声明:

本文首发于微信公众号：[钽铌新技术服务与应用]，原文标题：【钽基核心材料—钽铱网在海水电解制氢中的关键优势与核心价值】

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