适用于自然水体中高效水裂解氧电极及制备方法技术

一种适用于自然水体中高效水裂解氧电极及制备方法，属于水裂解新能源技术领域。该电极中钴铁水滑石的质量百分含量为3～5％，粒子直径为50～100nm，比表面积在30～50m2/g之间；使用的导电炭黑为Vulcan XC‐72型，其质量百分含量为7～16％；使用的钛网为经纬向丝径密度相同的平纹钛网，厚度0.2～0.5mm，其质量百分比为79～90％。其制备方法是由钴铁水滑石、炭黑、负载用金属钛网基底一体化整合而成的复合电极；该电极可搭载简易三电极体系用于自然水体及中性非缓冲溶液中的析氧反应，包括天然海水以及中性氯化钠溶液等。优点在于，制备方法简便，易于工业化生产，无副反应影响。

【技术实现步骤摘要】
适用于自然水体中高效水裂解氧电极及制备方法
本专利技术属于水裂解新能源
，特别是涉及一种适用于自然水体中高效水裂解氧电极及制备方法。
技术介绍
当前能源短缺及环境污染使得能源问题成为制约我国乃至世界经济发展的瓶颈，作为化石能源的替代品，可再生能源-氢能越来越受到世界各国的重视。电解水制氢是最经济环保的途径，但是很多科研者发现，氧气析出会伴随阳极过电位的升高，能源消耗过大，大大提高了电解水制氢的经济成本。为了降低析氧过电位，降低电解反应的能源消耗，寻找廉价高效，在高氧化环境中长时间暴露能够维持优良稳定性的阳极反应电极材料是科研工作者长期以来关注的热点。目前研究者们已经证实利用贵金属和许多过度金属氧化物或氢氧化物等，在碱性溶液中可以获得良好的析氧性能。但是碱性溶液对电极和反应装置有腐蚀性，在实际应用中受到一定限制。发展在中性或近中性水体中高效水裂解氧电极，对于电解水制氢的实际应用具有重要意义。目前在中性溶液环境下，钴基磷酸盐类修饰电极因其低起始电位，而被受关注。但是，该类催化剂材料都需要在缓冲溶液体系(如磷酸根，硼酸根等)内才能真正发挥作用，在非缓冲溶液体系内的电流密度和稳定性较差。从实际应用的角度考虑，开发在中性非缓冲溶液体系，尤其是直接应用自然水体中能高效和高稳定的析氧电极，是未来水裂解新能源应用的重要方向之一。但是，至今该类析氧电极还鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于自然水体中高效水裂解氧电极及制备方法，解决了目前适用于天然水体中高效和高稳定水裂解氧电极的缺乏的问题，可直接应用于自然水体中高效、高稳定性的析氧电极。制备方法简便，易于工业化生产，本专利技术制作的电极在中性溶液中的析氧能力优于一般催化剂，且在天然海水内拥有较低的析氧电位，易发生反应。该新型电极兼具高法拉第效率与长时恒定电流输出的特点，且几乎不会产出氯气，无副反应影响。本专利技术的用于自然水体中高效水裂解氧电极中钴铁水滑石的质量百分含量为3～5％，粒子直径为50～100nm，比表面积在30～50m2/g之间；使用的导电炭黑为VulcanXC-72型，其质量百分含量为7～16％；使用的钛网为经纬向丝径密度相同的平纹钛网，厚度0.2～0.5mm，其质量百分比为79～90％。本专利技术的用于自然水体中高效水裂解氧电极可作为工作电极，以饱和的氯化钾Ag/AgCl为参比电极，铂网为辅助电极，无需缓冲溶液体系，可直接在中性及近中性的自然水体中，施加电压1.0～1.4VvsAg/AgCl即可产生氧气，产氧量可达到150～200μmol，TOF值可达0.1～0.6s-1，连续电解5～8h后其电流密度可保持初始值80～90％，其转化效率在95～98％，无副反应发生。本专利技术用于自然水体中高效水裂解氧电极的制备步骤如下：(1)钴铁水滑石的制备：用去离子水中配制含有二价金属Co2+和三价金属Fe3+的混合盐溶液，其中n[Co2+]/n[Fe3+]＝2～3，控制其总浓度为0.15～0.3mol/L；然后将NaOH和Na2CO3的混合碱溶液加入以上混合盐溶液中，使其中n(NaOH)/[n(Co2+)+n(Fe3+)]＝1.5～2；将上述混合溶液同时倒入全返混旋转液膜反应器中反应1～2min，所得的浆液在30～60℃下水浴晶化5～12h，得到钴铁水滑石浆液，离心洗涤至pH＝7～8，在50～80℃下干燥12～24h后得到钴铁水滑石。(2)将预先剪裁好的钛网用砂纸打磨至出现金属光泽且表面光滑无划痕，然后将打磨完的钛网分别依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗，在50～80℃下干燥6～12h后备用；(3)将钴铁水滑石与导电炭黑以质量比1:2～1:3的比例混合均匀后，称取混合物分散于总体积0.8～1.5mL异丙醇/水(体积比3:1～2:1)混合溶剂中，再注入50～100μL萘酚溶液，控制总浓度在15～20mg/mL。超声振荡1～2h，得到分散均匀的混合液。用微量注射器移取混合液滴涂到清洗干燥完的钛网基底电极上，控制最终活性物质(除炭)的负载量在0.5～1.5mg/cm2，静置室温干燥，得到钴铁水滑石-导电炭黑复合物/钛网水裂解氧电极。本专利技术的优点和效果：本专利技术涉及的复合氧电极使用钛网为基底构成三维结构，在避免了副反应的同时也保证了活性物质的高负载量。引入的导电炭黑物质相比于碳纳米管等导电物也更有利于复合电极的长期稳定性。而利用成核晶化隔离法合成的钴铁水滑石相比于其他合成方法具有更高的比表面积，有利于中性环境的电催化反应。此复合电极易于大规模合成，制备过程简便易操作，成本较低。以实施例1为例，该析氧电极在天然海水中电催化OER反应，根据LSV曲线，可看出在电位超过1.0VvsAg/AgCl时即开始发生析氧反应，且催化电流随着电位增大而急剧增加。原子转换频率在过电位接近0.8V时转化效率最高值可达0.88s-1，该氧电极在电位为1.05VvsAg/AgCl时的电流密度为29mA/cm2，反应10h以上电流强度仍能保持在89％以上，以1.0mg/cm2负载量堆积在1.0cm2面积的LDH催化剂，8h析氧量累积达到200μmol以上，综合电流密度以及长时累积产氧量上都已经达到目前已报道近中性氧电极较高活性。由于天然海水来源简便，可直接在自然环境中获得，本专利涉及的钴铁水滑石-导电炭黑复合物/钛网水裂解氧电极不再依赖缓冲溶液，可直接在自然水体内以较低的电位上析氧，且具有高效、大电流密度、高氧气转换效率和稳定性等优点，是一种理想的水裂解催化电极，同时也对水滑石材料使用环境的再拓展具有很高的研究意义。附图说明图1为实施例1中所制备的CoFeLDH的XRD谱图。图2为实施例1中所制备的CoFeLDH的SEM图像。图3为实施例1中修饰完成氧电极表面的SEM图像。图4为实施例1中所制备的氧电极在天然海水中的LSV曲线。图5为实施例1中所制备的氧电极在天然海水中的TOF结果图。图6为实施例1中所制备的氧电极在天然海水中的OER催化I-t曲线。图7为实施例1中所制备的氧电极在天然海水中的析氧量法拉第效率图。具体实施方式实施例1：钴铁水滑石-导电炭黑复合物/钛网水裂解氧电极在天然渤海海水内催化析氧(1)制备钴铁水滑石活性物质：称取11.636gCo(NO3)2·6H2O、移取8.076gFe(NO3)3·9H2O溶解在100mL去离子水中配成混合盐溶液；然后再称取3.84gNaOH和4.24gNa2CO3溶解在100mL去离子水中配成混合碱溶液；将上述两种溶液同时倒入全返混旋转液膜反应器中反应2min，所得浆液在60℃下水浴晶化12h，得到钴铁水滑石浆液，离心洗涤至pH＝7.5，在80℃下干燥12h，研磨后得到水滑石纳米粒子粉末，其XRD谱图如图1所示，(003)、(006)、(012)等特征衍射峰的出现表明水滑石的生成。钴铁水滑石的SEM图像如图2所示，水滑石为明显的颗粒状结构，粒径为50～100nm。(2)以步骤(1)得到的钴铁水滑石作为活性物质，CoFeLDH与导电剂炭黑(VulcanXC-72)按照质量比3:7的比例混合均匀后，称取17.87mg混合物(包含5.36gCoFeLDH)分散在总体积1mL异丙醇/水(体积比为3:1)的混合溶剂中，再注入100μL萘酚溶液(wt本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于自然水体中高效水裂解氧电极，其特征在于，该电极中钴铁水滑石的质量百分含量为3～5％，粒子直径为50～100nm，比表面积在30～50m2/g之间；使用的导电炭黑为Vulcan XC‑72型，其质量百分含量为7～16％；使用的钛网为经纬向丝径密度相同的平纹钛网，厚度0.2～0.5mm，其质量百分比为79～90％。

【技术特征摘要】
1.一种适用于自然水体中高效水裂解氧电极，其特征在于，该电极中钴铁水滑石的质量百分含量为3～5％，粒子直径为50～100nm，比表面积在30～50m2/g之间；使用的导电炭黑为VulcanXC-72型，其质量百分含量为7～16％；使用的钛网为经纬向丝径密度相同的平纹钛网，厚度0.2～0.5mm，其质量百分比为79～90％；所述的钴铁水滑石的制备如下：用去离子水中配制含有二价金属Co2+和三价金属Fe3+的混合盐溶液，其中n[Co2+]/n[Fe3+]＝2～3，控制其总浓度为0.15～0.3mol/L；然后将NaOH和Na2CO3的混合碱溶液加入以上混合盐溶液中，使其中n(NaOH)/[n(Co2+)+n(Fe3+)]＝1.5～2；将上述混合溶液同时倒入全返混旋转液膜反应器中反应1～2min，所得的浆液在30～60℃下水浴晶化5～12h，得到钴铁水滑石浆液，离心洗涤至pH＝7～8，在50～80℃下干燥12～24h后得到钴铁水滑石。2.如权利要求1所述用于自然水体的高效水裂解氧电极，其特征在于，作为工作电极，以饱和的氯化钾Ag/AgCl为参比电极，铂网为辅助电极，无需缓冲溶液体系，直接在中性及近中性的自然水体中，施加电压1.0～1.4VvsAg/AgCl即可产生氧气，产氧量可达到150～200μmol，TOF值可达0.1～0.6s-1，连续电解5～8h后其电流密度保持初始值80～90％，其转化效率在95～9...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旭，童哲源，杨文胜，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11