一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用，属于纳米材料制备和清洁能源领域，该阳极催化电极以金属泡沫作为三维载体，三维载体表面原位生长有钴掺杂的硫化镍阵列，在列阵表面覆盖一层含空位的高活性硫保护层。本发明专利技术的制备方法简单易操作、成本低、可批量扩展。该阳极催化电极具有高的本征催化活性、高暴露的活性位点、快速的质子和气体传质速率和抑制氯离子在表面的吸附的特点，用作海水电解制氢的阳极电极时，在碱性模拟海水中在较低的过电位下(小于400mV)具有工业级的电流密度和稳定性，同时避免了析氯副反应的发生，减少了能耗，可作为工业化海水电解制氢装置的阳极电极。可作为工业化海水电解制氢装置的阳极电极。可作为工业化海水电解制氢装置的阳极电极。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于纳米材料制备和清洁能源领域，具体涉及一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]氢(H2)作为一种可持续和安全能源，具有142.351MJ kg
‑1的能量密度且不排放任何污染，对于解决当前紧迫的环境危机和化石能源供应不足至关重要。电解水制氢在处理效率、可再生能源兼容性和生产高纯氢气的碳中和方面优于传统的石油化工技术，因此电解水制氢成为未来一种有吸引力的可再生能源存储解决方案。电解水制氢除了阴极析氢半反应(HER)，还必须包括阳极半反应，一般为析氧反应(OER)。然而由于其缓慢的、多步骤的质子耦合电子转移过程，极大地阻碍了电解水产氢的整体效率，因此，开发高活性和稳定的OER催化电极是电解水产氢的关键。
[0004]电解水制氢的另一个重大问题是自然界淡水资源缺乏，使用淡水作为电解水产氢的电解液将对重要的水资源带来沉重的压力。海洋占据了地球96.5％的水储备，提供了无限的氢资源，而不会对全球淡水资源造成严重影响，是未来电解水制氢的有前景的电解液。然而，海水中多种金属离子的干扰，导致海水电解制氢OER电催化剂的活性和稳定性都不理想，一直不能满足工业化的需求。特别是天然海水中存在的氯阴离子(Cl
‑
，约0.5M)，会在阳极导致析氯副反应(ClER)，与OER竞争。虽然OER具有热力学优势，但其复杂的四电子转移反应比只有两个电子的ClER反应动力学更为迟缓。在碱性条件下(pH>7.5)，Cl
‑
与OH
‑
进一步反应生成次氯酸盐(Cl
‑
+2OH
‑
→
ClO
‑
+H2O+2e
‑
)，保持了与OER的最大热力学电位差(约480mV)，为OER提供了一个方便的选择性电位差窗口。综上所述，碱性条件有利于海水的选择性氧化，OER催化剂如果在480mV过电位之前实现工业级高电流密度输出就可以避免次氯酸盐的形成。此外，氯化物腐蚀和不溶性沉淀物或微生物的中毒也会损害电极材料的稳定性和使用寿命，这对电极材料的结构稳定性和耐腐蚀性提出了更高的要求。然而，到目前为止，要减小极化过电位，需要在远低于工业标准的电流密度(500
‑
1000mA cm
‑2)下进行电解(<200mA cm
‑2)。因此，为满足工业级应用，开发能够在超低电位下(低于480mV)驱动大电流密度(500
‑
1000mA cm
‑2)并保持良好稳定性的OER电催化剂非常有必要和具有挑战性。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用，本专利技术提供的阳极催化电极在安培级电流密度下持续稳定的产氢而不受Cl
‑
氧化等副反应的影响。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]第一方面，提供了一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极，其特征在于，所述阳极催化电极以金属泡沫作为三维载体，三维载体表面原位生长有钴掺杂的硫化镍阵列，在列阵表面覆盖一层含空位的高活性硫保护层。
[0008]第二方面，提供了上述应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：称取钴盐、镍盐和尿素溶于去离子水中形成溶液；
[0010]步骤2：将金属泡沫置于步骤1的溶液中，密闭反应，得到钴掺杂的氢氧化镍前驱体；
[0011]步骤3：将步骤2得到的前驱体加入含有硫盐的水溶液中，密闭反应，得到钴掺杂的硫化镍前驱体；
[0012]步骤4：将步骤3得到的前驱体加入双氧水溶液中，反应即得。
[0013]本专利技术的应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极，在安培级电流密度下持续稳定的产氢而不受Cl
‑
氧化等副反应的影响，因而第三方面，提供了上述应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极在海水电解制氢中的应用。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015](1)本专利技术的阳极催化电极的合成均在较低温度下进行，易于操作和批量制备；且该方法适用于不同三维基底，是一种普适的硫化物材料阵列的合成方法，适合大规模的工业化生产。
[0016](2)本专利技术所制备的阳极催化电极具有多级孔纳米通道，可以快速促进物质的转移和运输；同时原位生长的纳米阵列有助于提高材料催化过程的稳定性和电子的快速传输；阳极催化电极材料表面轻松形成的阴离子硫空位可调节活性位点的电子结构，从而提高表面高度不协调的钴原子的本征电催化析氧活性；表面硫保护层可以抑制氯离子在材料表面析出，使得阳极催化电极在模拟海水中表现出优异的稳定性。综上，本专利技术的阳极催化电极具有高的本征催化活性、高暴露的活性位点、快速的质子和气体传质速率和抑制氯离子在表面的吸附。
[0017](3)本专利技术所制备的阳极催化电极在析氯电位(480mV)之前就展现了优异的工业级电流密度，避免了析氯副反应，解决了高电流密度产生氯气副产物等问题，可实现工业化海水电解产氢。
附图说明
[0018]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0019]图1是本专利技术钴掺杂硫化镍阵列制备的合成路线示意图；
[0020]图2是本专利技术实施例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS
‑
60)阵列的场发射扫描电镜图；
[0021]图3是本专利技术实施例2所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS
‑
30)阵列的场发射扫描电镜图；
[0022]图4是本专利技术实施例3所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS
‑
90)阵列的场发射扫描电镜
图；
[0023]图5是本专利技术对比例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS)阵列的场发射扫描电镜图；
[0024]图6是本专利技术实施例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS
‑
60)阵列的X射线衍射图；
[0025]图7是本专利技术实施例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS
‑
60)阵列、对比例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS)阵列、以及商用的RuO2、NF在1M KOH电解液中氧析出反应的线性扫描伏安曲线；
[0026]图8是本专利技术实施例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNiS
‑
60)阵列、对比例1所制备的钴掺杂硫化镍(CoNi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极，其特征在于，所述阳极催化电极以金属泡沫作为三维载体，三维载体表面原位生长有钴掺杂的硫化镍阵列，在列阵表面覆盖一层含空位的高活性硫保护层。2.如权利要求1所述阳极催化电极，其特征在于，所述金属泡沫包括泡沫镍、泡沫铜、泡沫镍铁、泡沫钴。3.如权利要求1所述阳极催化电极，其特征在于，钴掺杂的硫化镍列阵和含空位的高活性硫保护层中，钴的含量为0％
‑
10％，镍的含量为40％
‑
50％，硫的含量为30％
‑
50％，空位的含量占硫含量的0％
‑
10％，摩尔比。4.权利要求1
‑
3任一所述应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：称取钴盐、镍盐和尿素溶于去离子水中形成溶液；步骤2：将金属泡沫置于步骤1的溶液中，密闭反应，得到钴掺杂的氢氧化镍前驱体；步骤3：将步骤2得到的前驱体加入含有硫盐的水溶液中，密闭反应，得到钴掺杂的硫化镍前驱体；步骤4：将步骤3得到的前驱体加入双氧水溶液中，反应即得。5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于，钴盐、镍盐选自任一种可溶性金属盐；优选的，钴盐：镍盐的摩尔比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭平，孙运通，孙圣钧，张辉，杨朝鑫，岳濛，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：