[發明專利]一種銅片表面水熱處理增強其電解水制氫性能的方法

有效

• 申請號: 201710963657.1
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN108251861B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: 寧匯;吳明鉑;崔瓏耀;毛勤虎;王文行;楊中學;趙青山;吳文婷;李忠濤
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: C25B11/04
• 分類號: C25B11/04;C25B1/06
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發明屬于能源化工領域，具體涉及一種銅片表面水熱處理增強其電解水制氫性能的方法。首先將銅片分別在丙酮、去離子水和無水乙醇中超聲清洗以清除銅片表面的油污，然后將銅片在質量分數為2％的KHCO₃水溶液中160℃水熱處理10小時以改變銅片表面的結構和形貌，用作電解水制氫的電極時，水熱處理后的銅片表現出起始電位低、析氫效率高的特點。本發明的主要特征是：用一種簡單方便，環保無毒的方法實現了對銅片的表面改性，大幅提升了其作為電極用于電解水制氫時的性能，有望實現大規模廉價電解水制氫。

技術領域

本發明屬于能源化工領域，具體涉及一種銅片表面水熱處理增強其電解水制氫性能的方法。這種方法具有設備簡單、體系環保無毒、反應條件容易實現的特點，因而在金屬表面處理、電極改性、電解水制氫氣等領域有廣泛的應用前景。

背景技術

氫氣是最重要的工業氣體和特種氣體之一，在石油化工、電子工業、冶金工業、食品加工、精細有機合成、航空航天、清潔能源等領域有著廣泛的應用。電解水制氫可以簡便高效的獲得高純度氫氣，該工藝環保無毒，但需要消耗大量電能。

為了能更好的促進電解水反應的發生，降低電能消耗，開發廉價且高效的電催化劑和電極是關鍵。研究表明，以Pt、Pd為主的貴金屬及其合金是當前催化效果最好的析氫催化劑，但其造價昂貴。通過負載的方法分散貴金屬可以提高其原子利用率，降低貴金屬的用量，但是負載后的貴金屬在使用時需要經過復雜的工藝制備成電極，其活性和穩定性受到制備工藝的很大限制，難以實現大規模工業應用。因此，尋找一種既具有催化作用，又可以通過簡單加工就可以直接作為電極且廉價易得的電解水制氫材料意義重大。

銅是人類最早使用的金屬材料之一，儲量豐富，冶煉技術成熟，具有良好的導電、導熱和延展性，機械性能優良，已在電纜、電氣、電子元件中得到廣泛使用，但很少用作電解水制氫的電極，其根本原因是銅電極電解水制氫需要克服較高的過電勢，造成大量電能損失。因此，在大幅降低銅電極電解水制氫過電勢的同時，仍然保留銅本身良好的導電、導熱和易機械加工的特性，這項技術具有非常廣闊的市場應用前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種銅片表面水熱處理增強其電解水制氫性能的方法，其特征在于：首次直接以KHCO₃水溶液為介質，通過水熱處理的方法改變銅片表面的形貌，增強了銅片作為電極用于電解水制氫氣時的性能。本發明的最大特點是方法簡單、體系環保無毒、反應條件容易實現，其具體方法如下：

(1)將銅片裁剪為3×4cm²的大小，放入500mL大燒杯中，先后加入丙酮、去離子水和無水乙醇進行超聲清洗，每次超聲清洗時間為10 分鐘；

(2)用去離子水配置質量分數為2％的KHCO₃水溶液，將銅片和質量分數為2％的KHCO₃水溶液一起放入密閉的100mL水熱釜中，在旋轉烘箱中加熱至160℃，恒溫10小時；

(3)反應結束后，打開烘箱門，使水熱釜自然降至室溫，將水熱處理好的銅片取出，用去離子水洗凈、晾干，然后裁剪成1×2cm²的銅片，用于電解水實驗。

與未經水熱處理的銅片相比，經該方法水熱處理后的銅片用作電解水制氫的電極時，起始電位明顯降低，Tafel斜率明顯減小，表現出優越的析氫性能，有望用于大規模電解水制氫。

附圖說明

圖1在質量分數為2％的KHCO₃水溶液，質量分數為2％的NH₄Cl 水溶液，去離子水三種反應介質中160℃水熱處理10小時后的銅片用于電解水制氫時的LSV曲線。

圖2不同溫度下在質量分數為2％的KHCO₃水溶液中水熱處理10 小時后的銅片用于電解水制氫時的LSV曲線。