一种海水全电解制氢用异质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海水全电解制氢用异质催化电极及其制备方法与应用，属于绿色氢能领域。其由金属泡沫骨架作为异质结催化剂三维载体，在载体表面原位生长有硒化镍和硒化钴异质结纳米线阵列作为双功能催化剂。三维基底上原位生长纳米线阵列结构有利于电解液和气体的快速扩散，高暴露活性位点。硒化镍和硒化钴异质界面协同提高电极的催化活性，催化过程中表面氧化的硒离子可抑制氯离子的吸附。其用作海水全电解制氢的阴极和阳极，在碱性海水中在较低的过电位下(OER:388mV,HER:355mV)具有工业级的电流密度(500mA cm

【技术实现步骤摘要】
一种海水全电解制氢用异质催化电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于绿色氢能领域，具体涉及一种海水全电解制氢用异质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]氢全球能源问题和环境污染促使人们加紧研究开发可再生能源和清洁能源的能量。氢气(H2)是一种可再生的、安全的、环境友好的能源，作为一种可再生的清洁能源可以有效解决传统燃料的枯竭问题。电解水技术是一种高效的制备氢的技术。但阳极的析氧反应(OER)的过程中涉及到复杂的四电子得失反应，若要提供相同的电流密度，就要比阴极的析氢反应(HER)需要更大的过电势，这就极大地限制了电解水的速率与进程，因此OER是电解水反应的速率控制步骤。
[0004]此外，电解水制备H2的另一关键问题在于全球淡水资源的短缺，使用淡水作为电解水产氢的电解液将对重要的淡水资源带来沉重的压力，电解淡水技术难以大规模应用。考虑到地球上海水资源丰富，且在空间上分布均匀，因此，整体海水电解制备H2是大规模生产H2的有利的竞争者。但是，海水电解的广泛应用也面临着严峻的挑战，阳极发生的副反应析氯反应(CER)会大大降低OER的反应速率。
[0005]另外，地球上贵金属储量少，成本高，迫使人们去研究低成本、资源丰富、易制取、效率高且无污染的非贵金属催化剂从而达到相同的目的，降低反应的活化能，提高OER的反应速率，用于广泛开发和大规模使用。最近，基于非贵金属的电催化剂已经被报道，但是都存在各种问题制约了进一步的应用。综上所述，设计一种非贵金属的高效海水电解产氢双功能催化剂具有非常广阔的应用前景。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种海水全电解制氢用异质催化电极及其制备方法与应用，本专利技术提供的海水全电解制氢用异质催化电极能够实现在工业级电流密度下(500mA cm
‑2)持续稳定的双功能全解海水产氢。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]本专利技术的第一个方面，提供一种海水全电解制氢用异质催化电极的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一，称取镍盐、钴盐、氟化铵和尿素溶解于去离子水中形成溶液A；
[0010]步骤二，将金属泡沫骨架置于溶液A中，密闭容器中，水热反应，得到镍钴双金属氢氧化物前驱体电极；
[0011]步骤三，将镍钴双金属氢氧化物前驱体电极与硒源置入通有惰性气体的管式炉
中，烧结得到具有硒化镍和硒化钴异质界面的海水全电解制氢用异质催化电极。
[0012]本专利技术制备的海水全电解制氢用异质催化电极是具有催化阳极氧析出和阴极氢系数的双功能电极，在电解水制氢工艺中，可作为阳极、阴极或同时作为阳极和阴极使用。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，镍盐：钴盐的摩尔比为1:10～10:1；溶液A中金属盐的总摩尔浓度为10～100mM；氟化铵与总金属盐的摩尔比为5:1～1:5；尿素与总金属盐的摩尔比为5:1～1:5。镍盐与钴盐均为可溶性盐，其中镍盐包括但不限于氯化镍、硝酸镍、硫酸镍，钴盐包括但不限于氯化钴、溴化钴、硝酸钴、硫酸钴。在本专利技术中调节镍和钴盐的比例可以调节异质结的数量，镍盐：钴盐的摩尔比为1:10～10:1是最佳的异质结条件的比例。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述金属泡沫骨架包括但不限于泡沫镍、泡沫钴、泡沫镍钴和泡沫钛。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述水热反应的反应条件为：90～200℃，反应2～70h。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，所述硒源包括二氧化硒、硒化氢和硒粉。所述硒源的质量为100～500mg。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述烧结，反应温度为200～400℃，反应时间为1～5h。
[0018]本专利技术的第二个方面，提供一种海水全电解制氢用异质催化电极，所述海水全电解制氢用异质催化电极由上述的制备方法制得。
[0019]其中，所述海水全电解制氢用异质催化电极以金属泡沫骨架作为三维载体，在三维载体表面原位生长有硒化镍和硒化钴异质结纳米线阵列。这种三维基底上原位生长的纳米线阵列结构有利于电解液和气体的快速扩散，并具有高暴露的活性位点。另外，硒化镍和硒化钴异质界面具有协同作用可以提高电极的催化活性，催化过程中表面氧化的硒负离子可以抑制氯离子的吸附，避免了发生副反应生成副产物，可实现工业化海水电解制氢。
[0020]本专利技术的第三个方面，提供一种海水全电解制氢用异质催化电极的应用，利用上述的海水全电解制氢用异质催化电极，将所述海水全电解制氢用异质催化电极作为阴极和/或阳极应用到电催化淡水、碱性模拟海水和碱性海水的阳极析氧反应、阴极析氢反应和全水解反应过程中。
[0021]本专利技术的第四个方面，提供一种电解海水制氢装置，包括上述的海水全电解制氢用异质催化电极，所述海水全电解制氢用异质催化电极作为电解海水制氢装置的阳极和/或阴极。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023](1)本专利技术的海水全电解制氢用异质催化电极，合成条件易提供，在较低温度下即可进行，制备过程简易，适用于大规模工业化生产。该电极的前驱体原料价格低廉，储量丰富，利于大规模生产和工业化的应用。
[0024](2)本专利技术的海水全电解制氢用异质催化电极以金属泡沫骨架作为三维载体，在三维载体表面原位生长有硒化镍和硒化钴异质结纳米线阵列。这种三维基底上原位生长的纳米线阵列结构有利于电解液和气体的快速扩散，并具有高暴露的活性位点。另外，硒化镍和硒化钴异质界面具有协同作用可以提高电极的催化活性，催化过程中表面氧化的硒负离子可以抑制氯离子的吸附，避免了发生副反应生成副产物，可实现工业化海水电解制氢。
[0025]本专利技术的海水全电解制氢用异质催化电极是具有催化阳极氧析出和阴极氢系数的双功能电极，在电解海水制氢工艺中，可作为阳极、阴极或同时作为阳极和阴极使用，节
约成本的同时减少了环境污染。
附图说明
[0026]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。
[0027]图1是本专利技术硒化镍硒化钴异质结(NiCoSe)纳米线阵列(即本专利技术的海水全电解制氢用异质催化电极)制备的合成路线示意图；
[0028]图2是本专利技术实施例1所制备的NiCoSe异质结纳米线阵列的场发射扫描电镜(SEM)图；
[0029]图3是本专利技术实施例1所制备的NiCoSe异质结纳米线阵列的元素分布图；
[0030]图4是本专利技术实施例1所制备的NiCoSe异质结纳米线阵列的X射线衍射图；
[0031]图5是本专利技术对比例1所制备的硒化镍(NiSe)纳米片阵列的SEM图(a,b)；
[0032]图6是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海水全电解制氢用异质催化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，称取镍盐、钴盐、氟化铵和尿素溶解于去离子水中形成溶液A；步骤二，将金属泡沫骨架置于溶液A中，密闭容器中，水热反应，得到镍钴双金属氢氧化物前驱体电极；步骤三，将镍钴双金属氢氧化物前驱体电极与硒源置入通有惰性气体的管式炉中，烧结得到具有硒化镍和硒化钴异质界面的海水全电解制氢用异质催化电极。2.如权利要求1所述的海水全电解制氢用异质催化电极的制备方法，其特征在于，镍盐：钴盐的摩尔比为1:10～10:1；溶液A中金属盐的总摩尔浓度为10～100mM；氟化铵与总金属盐的摩尔比为5:1～1:5；尿素与总金属盐的摩尔比为5:1～1:5。3.如权利要求1所述的海水全电解制氢用异质催化电极的制备方法，其特征在于，所述金属泡沫骨架包括：泡沫镍、泡沫钴、泡沫镍钴和泡沫钛。4.如权利要求1所述的海水全电解制氢用异质催化电极的制备方法，其特征在于，所述水热反应的反应条件为：90～200℃，反应2～70h。5.如权利要求1所述的海水全电解制氢用异质催化电极的制备方法，其特征在于，所述硒源包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭平，张辉，罗永岚，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：