[發明專利]一種水熱電沉積結合的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石析氧電極的制備方法

有效

• 申請號: 201711213348.9
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN109837558B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 俞紅梅;遲軍;姜廣;賈佳;覃博文;邵志剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/04;C23C18/12;C25D9/04
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種應用于堿性介質中的水熱?電沉積方法相結合的羥基氧化鐵?鎳鐵水滑石析氧電極及制備和應用；該電極應用于催化堿性條件下電解水制氫過程中的析氧反應。優點：高穩定性高分散鎳鐵氫氧化物一體化電極形貌可控；制備過程簡單，條件溫和；在外加偏壓下用于水電解池分解水制氫。將本發明制備的高分散羥基氧化鐵/鎳鐵水滑石一體化電極用作堿性固體聚合物電解質(AEM)水電解池時具有較好的性能。本發明在可再生燃料電池(RFC)、光電催化、電解氫氣發生器裝置中有廣泛的利用價值。

技術領域

本發明涉一種堿性電解水用水熱-電沉積方法相結合的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石析氧電極的制備方法，該方法經過前驅體混合-水熱反應-洗滌-真空干燥等步驟制得表面負載水熱-電沉積方法相結合的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石析氧電極催化劑層最終的形貌特點長為2～3μm直徑為50～500nm的堿式碳酸鈷納米線負載羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石納米片陣列層。最終獲得的一體化電極作為堿性條件下使用的析氧電極，可應用于AEM水電解、RFC或各種電解裝置中。

背景技術

水電解提供了一條從水到氫氣的清潔的轉化路線。如采用可再生能源生產電能用以電解水，便可真正地實現CO 2的零排放。通過這種方式獲得的氫氣純度非常高，可達99.9％以上，對于要求使用高純氫氣的精密電子器件的制造行業來說，這是一種理想的原料氣體來源。電解水制氫技術在50年前已可成熟運用。然而以這種方式所產的氫氣在世界氫氣總產量中的比重仍然非常小。堿性液體電解槽水電解是一種相對較成熟的技術，1902年時運行的機組數量就已經達到了400多個。堿性水電解槽的運行壽命可以達到15年，堿性電解槽水電解技術成為在全世界運行時間最長的商業化電解水制氫技術。

電解過程中的核心是電化學反應進行所需的電催化劑，這直接影響到電解效率、電解能耗、電解成本以及電解池的壽命。近期針對堿性條件下使用的非貴金屬析氧催化劑方面的研究有逐漸增多的趨勢。

專利CN106149025A描述了一種鐵類水滑石納米片的一步電合成方法，雖然該方法簡單快速，但并無相關數據顯示該方法制備的電極可以獲得優良的OER性能，并且改方法制備的電極微觀形貌很難調控。專利CN104659357A描述了一種制備碳負載鎳鐵氫氧化物復合材料的制備方法。雖然該方法制備出的催化劑在堿性條件下具有不錯的析氧電催化活性，然而該催化劑無法克服的缺點在于碳材料作為載體的負載型催化劑在堿性全電解池測試的電解電壓下載體的腐蝕問題較為嚴重，影響全電解池的長期運行壽命。專利CN105618060A所描述的一種石墨烯/鎳鐵類水滑石的非金屬雙功能氧催化劑，在實際應用過程中催化劑顆粒難以有序排列，因而難以獲得較高的分散度，催化劑的利用率不高。Liheng Wu等人(ACS，2015,137(22),7071-7074)介紹了一種采用溶劑熱-燒結過程制備的單分散鈷顆粒的制備方法。由該方法制備出的的鈷納米顆粒直徑為直徑在10nm左右的球形顆粒，但其作為析氧催化劑在0.1M KOH溶液中的析氧電催化性能仍不高，僅達到0.39V@10mA/cm²。

但目前的眾多研究結果表明，不使用任何粘結劑或樹脂的一體化電極較傳統的二元，乃至三元的過渡金屬氧化物在堿性介質條件下有更強的適用性，采用泡沫鎳作為導電基底之后能在較高的電解電流下(300～1000mA cm^-2)、強堿性介質中長期穩定運行，是目前最具潛力的OER電極之一。本方法采用水熱反應輔助電沉積反應，經過洗滌-真空干燥等步驟制得高分散高穩定性羥基氧化鐵/鎳鐵水滑石(FeOOH/NiFe LDHs@CCH NAs-NF)一體化析氧電極。與傳統催化劑的制備方式相比，水熱合成法、電沉積法具有工藝簡單、成本低廉、便于實現工業化生產等優勢，在較溫和條件下有效控制合成催化劑的形貌，具有較好的催化活性，以及穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種堿性條件下使用的水熱-電沉積方法相結合的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石析氧電極(FeOOH/NiFe LDHs@CCH NAs-NF)一體化析氧電極的制備方法，保證依據該方法制備出的一體化析氧電極可以使電解水反應可以在較小的外加偏壓下高效進行。