[發(fā)明專利]一種水熱輔助的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石一體化電極的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711213908.0
• 申請(qǐng)日: 2017-11-28
• 公開（公告）號(hào): CN109837559B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 俞紅梅;遲軍;姜廣;賈佳;覃博文;邵志剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C25B11/054
• 分類號(hào): C25B11/054;C25B11/067;C25B11/091;C25B1/04;B01J27/232;B01J37/10
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于堿性介質(zhì)中的水熱輔助的羥基氧化鐵?鎳鐵水滑石一體化電極的制備方法和應(yīng)用；該電極應(yīng)用于催化堿性條件下電解水制氫過程中的析氧反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：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(fā)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(zhì)(AEM)水電解池時(shí)具有較好的性能。本發(fā)明在可再生燃料電池(RFC)、光電催化、電解氫氣發(fā)生器裝置中有廣泛的利用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉一種堿性電解水用水熱輔助的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石一體化電極的制備方法，該方法經(jīng)過前驅(qū)體混合-水熱反應(yīng)-洗滌-真空干燥等步驟制得表面負(fù)載水熱輔助的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石一體化電極催化劑層最終的形貌特點(diǎn)為2～3μm高～100nm直徑的堿式碳酸鈷納米線負(fù)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(yīng)用于AEM水電解、RFC或各種電解裝置中。

背景技術(shù)

水電解提供了一條從水到氫氣的清潔的轉(zhuǎn)化路線。如采用可再生能源生產(chǎn)電能用以電解水，便可真正地實(shí)現(xiàn)CO₂的零排放。通過這種方式獲得的氫氣純度非常高，可達(dá)99.9％以上，對(duì)于要求使用高純氫氣的精密電子器件的制造行業(yè)來說，這是一種理想的原料氣體來源。電解水制氫技術(shù)在50年前已可成熟運(yùn)用。然而以這種方式所產(chǎn)的氫氣在世界氫氣總產(chǎn)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(duì)較成熟的技術(shù)，1902年時(shí)運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量就已經(jīng)達(dá)到了400多個(gè)。堿性水電解槽的運(yùn)行壽命可以達(dá)到15年，堿性電解槽水電解技術(shù)成為在全世界運(yùn)行時(shí)間最長的商業(yè)化電解水制氫技術(shù)。

電解過程中的核心是電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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(duì)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(guān)數(shù)據(jù)顯示該方法制備的電極可以獲得優(yōu)良的OER性能，并且改方法制備的電極微觀形貌很難調(diào)控。專利CN104659357A描述了一種制備碳負(fù)載鎳鐵氫氧化物復(fù)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(cuò)的析氧電催化活性，然而該催化劑無法克服的缺點(diǎn)在于碳材料作為載體的負(fù)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(yán)重，影響全電解池的長期運(yùn)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(shí)際應(yīng)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。

但目前的眾多研究結(jié)果表明，不使用任何粘結(jié)劑或樹脂的一體化電極較傳統(tǒng)的二元，乃至三元的過渡金屬氧化物在堿性介質(zhì)條件下有更強(qiáng)的適用性，且能在較高的電解電流下(300～1000mA cm^-2)、強(qiáng)堿性介質(zhì)中長期穩(wěn)定運(yùn)行，是目前最具潛力的OER電極之一。

本方法采用二次水熱合成法將前驅(qū)體、配位劑在高溫、堿性條件下進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)，然后經(jīng)過洗滌-真空干燥等步驟制得羥基氧化鐵/鎳鐵水滑石(FeOOH/NiFe LDHs@CCH NAs-NF)一體化析氧電極。與傳統(tǒng)催化劑的制備方式相比，水熱合成法具有工藝簡單、成本低廉、便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)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(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種堿性條件下使用的水熱輔助的羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石一體化電極(FeOOH/NiFe LDHs@CCH NAs-NF)的制備方法，保證依據(jù)該方法制備出的一體化析氧電極可以使電解水反應(yīng)可以在較小的外加偏壓下高效進(jìn)行。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：利用兩次水熱反應(yīng)在較溫和條件下控制合成生長在泡沫鎳基底上的尺寸大小均一，分散度良好、2～3μm長，50-500nm直徑的包覆有羥基氧化鐵-鎳鐵水滑石納米片負(fù)載于堿式碳酸鈷納米線陣列的一體化電極。