[發(fā)明專利]聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010093256.7
• 申請日: 2020-02-14
• 公開（公告）號: CN113337833A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李新昊;張仕楠;薛中華;林秀;林云霄;蘇慧;陳接勝;野田克敏;后藤哲
• 申請（專利權(quán)）人: 豐田自動車株式會社;上海交通大學(xué)
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/052;C25B11/065;C25B11/085;C25D9/02
• 代理公司: 上海和躍知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31239
• 代理人: 尹洪波

本發(fā)明涉及聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極及其制備方法。在制備方法中，以噻吩類單體，高氯酸鋰，碳纖維布為原料，利用電化學(xué)沉積的方法得到聚噻吩類化合物/碳纖維布復(fù)合的制氧電極。該方法具有制作工藝簡單，綠色安全，成本低且性能好的特點，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該產(chǎn)品在電催化水分解，能量轉(zhuǎn)換和儲存等眾多領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體聚合物電催化水分解領(lǐng)域，具體涉及一種聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，人們的生活水平得到大幅度的提升。與此同時，社會發(fā)展所帶來的能源問題愈發(fā)凸顯出來。現(xiàn)如今，傳統(tǒng)的一次能源依然占據(jù)著很大的比重。其帶來的環(huán)境問題以及資源短缺迫使我們著力去開發(fā)綠色的可持續(xù)發(fā)展的新型能源。太陽能、風(fēng)能等清潔能源可直接轉(zhuǎn)化為電能，這部分電能的儲存和轉(zhuǎn)化值得進一步的研究。而通過電分解水，將水分解成氫氣和氧氣，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)物質(zhì)儲存起來是解決上述問題的一個新路徑。高性能的催化劑可以降低水分解過程所要克服的活化能，大大降低能源消耗。

對于電解水反應(yīng)，一般會分解成兩個半反應(yīng)單獨進行研究。陰極發(fā)生析氫反應(yīng)，涉及到2個電子的轉(zhuǎn)移，陽極發(fā)生析氧反應(yīng)，涉及到4個電子的轉(zhuǎn)移，所以說析氧反應(yīng)的難度更大，相應(yīng)的過電位更高。尋找高效實用的電極催化劑來加速析氧反應(yīng)的動力學(xué)過程，始終是電化學(xué)領(lǐng)域近20年來的研究熱點。

目前研究最為廣泛，性能最優(yōu)越的為貴金屬基催化劑(如氧化銥)，這類金屬基催化劑在實際使用中會受到環(huán)境問題和成本問題的影響。所以說開發(fā)不含金屬的高性能催化劑是非常有必要的。

近來，已有一些工作將柔性的不含金屬的聚合物材料作為功能催化劑應(yīng)用于各種電催化反應(yīng)，包括氧氣析出反應(yīng)。聚合物的合適的能帶結(jié)構(gòu)可以幫助解離水分子并提供高的氧氣析出反應(yīng)的活性，但聚合物電極的電化學(xué)穩(wěn)定性仍然是實際應(yīng)用中的主要障礙。

受到此類研究的啟發(fā)，本申請將目光放在導(dǎo)電聚合物上，旨在提升催化活性的基礎(chǔ)上改善電極的電化學(xué)穩(wěn)定性。這類聚合物材料的合成方法簡單廉價，工業(yè)制備條件成熟，同時具有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性。開發(fā)聚合物電催化電極不僅會在化工、能源等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，也會為電催化材料研究提供新的視野。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種電化學(xué)穩(wěn)定性高且合成方法簡單的聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極及其制備方法。

本發(fā)明所涉及的聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極，包括碳纖維布以及形成于碳纖維布的聚噻吩類化合物薄膜。

優(yōu)選所述聚噻吩類化合物薄膜是通過電化學(xué)沉積反應(yīng)使噻吩類單體在碳纖維布上進行原位聚合而形成的。

優(yōu)選所述噻吩類單體為噻吩、3號位被碳原子數(shù)為1-6的烷基鏈取代的噻吩的至少一種。

優(yōu)選所述聚噻吩類化合物薄膜的厚度為20-100nm。

由此，聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極的催化性能優(yōu)異。

本發(fā)明所涉及的聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：制備含有噻吩類單體和作為電解質(zhì)的高氯酸鋰的乙腈溶液，以碳纖維布為工作電極，將碳纖維布浸漬于所述乙腈溶液，利用恒電壓電化學(xué)沉積的方法，使噻吩類單體原位聚合到碳纖維布上，形成聚噻吩類化合物薄膜，控制通電時間在0.5-7小時范圍內(nèi)，電沉積過程結(jié)束后，取出工作電極在純水中浸泡而除去雜質(zhì)，自然風(fēng)干，得到聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極。

根據(jù)本發(fā)明的制備方法，能夠合成均一的聚合物薄膜，進而用使聚合物電極有高的催化活性。

在上述的聚噻吩類化合物/碳纖維布分解水制氧電極的制備方法中，優(yōu)選用濃度為1mol/L-2mol/L的硝酸對碳纖維布進行超聲處理5-10分鐘。