一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法技术

技术编号：42212300 阅读：8 留言：0更新日期：2024-07-30 18:54

一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法。通过向碱性海水介质中加入一定浓度的CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;，再通过电化学活化使CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;吸附在镍基催化剂表面并达到平衡，CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;的引入有利于真正催化活性相NiOOH的形成，表面CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;层通过静电排斥使氯离子远离子催化剂，实现了催化剂在碱性海水介质中析氧催化活性和长期稳定性性能的显著提升。在碱性淡水、碱性然海水中，NiFe‑LDH在含CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;的体系中表现出比不含CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;体系更低的η<subgt;100</subgt;值，特别在含2.5mol L<supgt;‑1</supgt;NaCl的电解液中引入CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;，可将NiFe‑LDH的长期稳定性延长到不含CrO<subgt;4</subgt;<supgt;2‑</supgt;体系的五倍以上。

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【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法及其阳极镍基电催化剂；还涉及所述催化剂的制备方法及其在电催化海水阳极析氧反应的应用。

技术介绍

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技术介绍
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1、海水电解产生高热量氢气(142mj kg-1)在可再生能源转换和储存领域越来越有吸引力，因为它具有许多优点。电化学海水分解可以有效地利用来自间歇性清洁风能、核能和太阳能的剩余可再生电力，这些电力在靠近海岸的干旱沙漠地区更为丰富。更重要的是，近乎无限的海水原料(～占水资源总量的97％)可以节省稀有的淡水，甚至可以为淡水不足的沿海地区反向生产纯净水。然而，由于存在氯离子(～0.5m)和其他复杂的成分，海水电解的实现比淡水电解更具挑战性。海水电解的最大挑战之一是cl-酸性电解质中的氯氧化反应形成cl2的析氯反应(cer)和碱性介质中氧化反应形成次氯酸盐的次氯酸盐氧化反应(hcer)，这两者都将在反应过程中与oer竞争。

2、鉴于上述基本原理，碱性电解质通常用于增强oer的选择性。对于cl-侵蚀问题，有效的解决方案是开发高活性和高耐腐蚀性的催化剂电极。最近，镍铁层状双氢氧化物(nife-ldh)因其独特的层状结构和固有的电催化活性而被证明是最先进的碱性水氧化催化剂。然而，较差的耐腐蚀性在很大程度上阻碍了其在海水电解中的进一步应用。因此，为了提高nife-ldh基电极的腐蚀稳定性，采取了多种保护措施。其中，含氧阴离子策略因其简单和低成本而引起了人们的广泛兴趣。过渡金属硫化物和过渡金属硒化物等可以通过原位电化

3、本专利技术提出了一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法，具体通过在碱性海水电解质中直接添加k2cro4来增强泡沫镍负载nife-ldh的oer催化活性和抗腐蚀性。cro42-的加入可以在催化剂电极周围形成稳定的阴离子环境，促进金属氢氧化物活性相的形成和稳定。经过电化学氧化过程后，催化剂表面活性相与表面吸附的cro42-阴离子形成稳定的结构，具有丰富的活性位点、良好的导电性和oer催化活性；经过60小时计时电位处理后得到的后催化剂表面吸附了稳定的cro42-阴离子层，记为post-nife-ldh-cro42-。吸附在nife-ldh纳米片上的cro42-可通过静电排斥使cl-远离从催化剂表面，从而在碱性模拟海水和碱性海水体系中表现出更好的耐氯离子腐蚀性能和oer选择性。通过测定各种镍基层状双金属氢氧化物(nico-ldh、nicu-ldh、nimn-ldh、nimg-ldh和nial-ldh)和裸露的泡沫镍，也证实了碱性海水电解质中添加cro42-对oer性能的积极影响，具有良好的普适性。催化剂在添加cro42-碱性模拟海水中的oer性能不仅优于先前报道的添加so42-的性能，而且明显高于其他涉及其它阴离子的ni基催化剂在碱性淡水中的催化活性。该方法对开发过渡金属基阳极催化剂在电解海水中的稳定性修复及能源转换和储存器件具有重要的理论和实际意义。

技术实现思路

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技术实现思路
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1、针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本专利技术的目的之一是提供一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法，其特征在于选取镍基材料为催化剂，在碱性海水介质中加入一定浓度的cro42-阴离子作为添加剂，采用线性伏安扫描活化催化剂后，电解质中的cro42-阴离子吸附在催化剂表面并达到平衡，cro42-的引入有利于真正催化活性相的形成，表面稳定的cro42-阴离子层通过静电排斥使海水介质中的氯离子远离子催化剂，从而实现催化剂在碱性海水介质中析氧催化活性和长期稳定性性能的显著提升；

2、其中所述的镍基材料选取泡沫镍和泡沫镍上原位生长的镍基层状双金属氢氧化物；

3、进一步的，其中镍基层状双金属氢氧化物包括镍铁层状双金属氢氧化物、镍钴层状双金属氢氧化物、镍铜层状双金属氢氧化物、镍锰层状双金属氢氧化物、镍镁层状双金属氢氧化物、镍铝层状双金属氢氧化物；

4、进一步的，所述cro42-阴离子的添加浓度为0.05～0.4mol l-1；

5、其中碱性海水介质包括碱性模拟海水：含有1mol l-1koh和0.5mol l-1nacl的水溶液；碱性天然海水：含有1mol l-1koh天然海水；

6、其中以镍铁层状双金属氢氧化物催化剂为例，该催化剂在含有0.1mol l-1cro42-的1mol l-1koh和2.5mol l-1nacl的水溶液中，在250ma cm-2的电流密度下进行计时电位测试，由于吸附在催化剂表面的cro42-对氯离子进行排斥，计时电位运行25小时后催化性能基本没有发生衰减，催化剂结构和基底框架基本保持完好，而在不含cro42-的情况下，该条件下计时电位只能运行约5小时。

7、本专利技术的目的之二是提供一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法的实施过程，具体包括以下步骤：

8、(a)泡沫镍(nf)的预处理

9、nf切成规格为2×3cm2的小片，依次用3mol l-1盐酸溶液、无水乙醇和去离子水分别超声处理20、20和20min，去离子水洗涤后室温下干燥；

10、(b)nife-ldh/nf的制备

11、将1.0mmol ni(no3)2·6h2o、0.5mmol fe(no3)3·9h2o和5mmol尿素溶解在30ml的去离子水中，搅拌30min；然后转移到80ml聚四氟乙烯高压釜中并加入一片处理好的nf，在120℃下水热反应12小时；自然冷却至室温后，用去离子水洗涤数次，50℃真空干燥5小时，得到的棕黄前驱体即为nife-ldh/nf；

12、(c)nife-ldh/nf的活化

13、采用传统的三电极体系，以(b)制备的nife-ldh/nf催化剂为工作电极，石墨电极为对电极，hg/hgo电极(双盐桥)为参比电极，以1.0mol l-1koh+0.5mol l-1nacl+0.1mol l-1cro42-为电解质，施加0～1v(vs.hg/hgo)电位进行线性伏安扫描活化，在10圈活化后，电催化剂性能基本保持稳定用于电化学测试；

14、(d)post-nife-ldh-cro42-的制备

15、将步骤(b)中制备的nife-ldh/nf在1.0mol l-1koh+0.5mol l-1nacl+0.1mol l-1cro42-电解质中经过步骤(c)电化学活化后以200ma cm-2的电流密度进行60小时的计时电位处理，去离子水洗涤后50℃真空干燥5小时，得到相应催化剂样品，记为post-nife-ldh-cro42-；同样的方法在不含0.1mol l-1cro42-的电解质中进行计时电位处理后，得到的相应催化剂样品，本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法，其特征在于选取镍基材料为催化剂，在碱性海水介质中加入一定浓度的CrO42-作为添加剂，采用线性伏安扫描活化催化剂后，电解质中的CrO42-吸附在催化剂表面并达到平衡，CrO42-的引入有利于真正催化活性相的形成，表面稳定的CrO42-层通过静电排斥使海水介质中的氯离子远离子催化剂，从而实现了催化剂在碱性海水介质中析氧催化活性和长期稳定性性能的显著提升；

2.根据权利要求1所述的提高海水析氧电催化剂催化性能方法，其特征在于所述碱性海水介质包括碱性模拟海水：含有1mol L-1KOH和0.5mol L-1NaCl的水溶液；碱性天然海水：含有1mol L-1KOH天然海水；

【技术特征摘要】

1.一种提高海水析氧电催化剂催化性能的方法，其特征在于选取镍基材料为催化剂，在碱性海水介质中加入一定浓度的cro42-作为添加剂，采用线性伏安扫描活化催化剂后，电解质中的cro42-吸附在催化剂表面并达到平衡，cro42-的引入有利于真正催化活性相的形成，表面稳定的cro42-层通过静电排斥使海水介质中的氯离子远离...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹天荣，叶琳，陈露娜，陈琳，赵泽鹏，王磊，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：

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