[發(fā)明專利]析氧反應(yīng)催化劑、制備、應(yīng)用、電解裝置及海水裂解方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011330818.1
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112501647B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 康青;涂青青;江萌;汪鵬程;周偉家;周飛艨
• 申請（專利權(quán)）人: 濟南大學(xué)
• 主分類號: C25B11/054
• 分類號: C25B11/054;C25B11/031;C25B11/052;C25B11/061;C25B11/075;C25B1/04;C25B9/17;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 深圳中一聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44414
• 代理人: 張禹

本申請實施例提供一種析氧反應(yīng)催化劑、制備、應(yīng)用、電解裝置及海水裂解方法。析氧反應(yīng)催化劑包括泡沫鎳基底和負載在所述泡沫鎳基底上的非晶態(tài)/納米晶堿性碳酸鐵。堿性碳酸鐵鎳(FeNiCH)的非晶態(tài)和納米晶混合結(jié)構(gòu)中含有較多的表面吸附氧和氧缺陷，它們可能會調(diào)節(jié)Fe(III)/Ni(II)的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化OER中間體的吸附能。且表面吸附氧和缺陷氧可能與其抗氯化物和高耐蝕性有關(guān)。因而，上述析氧反應(yīng)催化劑的電催化OER性能受氯離子影響較小，應(yīng)用于電解池時在較長電解時間電解池仍能很好地保持其高性能，并且其在堿性近海海水電解中表現(xiàn)出優(yōu)異的OER性能，可滿足大電流密度(≥500mA/cm²)和低過電位≤300mV的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及海水裂解領(lǐng)域，更具體地說，涉及析氧反應(yīng)催化劑、制備、應(yīng)用、電解裝置及海水裂解方法。

背景技術(shù)

海水占世界水資源總量的97％，是地球上最豐富的自然資源之一。直接裂解海水生產(chǎn)清潔的氫燃料是一種很有前途的可再生能源存儲技術(shù)。特別是對受污染的海水進行分解，在修復(fù)受污染海水的同時，還能產(chǎn)生高純度的氫燃料，已成為一種潛在的解決全球能源和環(huán)境問題的方法。然而，海水裂解面臨的主要挑戰(zhàn)是來自海水中的各種溶解的離子可能毒害或降解陰極和陽極電催化劑。海水中氯離子在反應(yīng)過程中可能形成活性氯化合物，對陽極造成嚴重的腐蝕影響。在電解過程中，海水中溶解的金屬離子也可能形成微溶性氫氧化物沉淀，導(dǎo)致陰極電催化劑表面鈍化。除腐蝕相關(guān)問題外，陽極上析氧反應(yīng)(oxygenevolution reaction，簡稱OER)與氯離子氧化反應(yīng)之間的競爭也是海水裂解過程中的另一個主要難題。

沿岸天然海水中重金屬離子和生物污染物的含量遠高于近海海域海水。天然海水中的一些污染物，如重金屬離子、細菌和微生物，可以在堿性介質(zhì)中沉淀或失活。因此，開發(fā)先進的堿性沿岸海水裂解電催化劑就顯得尤為重要。

在過去的幾十年里，過渡金屬氫氧化物(TMOHs)因其耐久性、高性價比和高活性而被廣泛應(yīng)用于堿性電解系統(tǒng)。例如，(Ni,Fe)OH/NF材料在10mA/cm²的電流密度下只需要154mV的過電位，使其成為了能夠在10mA/cm²的電流密度下所需的過電位低于200mV的最有效的OER催化劑之一。然而，該催化劑尚未應(yīng)用于堿性海水電解系統(tǒng)。盡管結(jié)晶型的NiFe層狀雙氫氧化物納米板已被證明可在堿性海水中低電流密度條件下作為OER選擇性電催化劑，但其仍然不能滿足在大電流密度(≥500mA/cm²)和低過電位≤300mV下的商業(yè)需求。先前的研究表明，TMOHs的層狀結(jié)構(gòu)允許水分子和陰離子的插入。較寬的層間距有利于OH^-在TMOHs層間和層外的擴散，并有利于活性中心與堿性電解質(zhì)中OH^-的緊密接觸。過渡金屬堿式碳酸鹽(TMCHs)是二維TMOHs的一類衍生物，可用公式[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^q+(CO₃)_q/2·nH₂O來表示。TMCHs由于包含有共享邊的八面體MO₆層，在堿性電解液中對OER具有較高活性，因而受到了廣泛的關(guān)注。此外，據(jù)報道，完全非晶態(tài)或納米晶-非晶混合態(tài)的電催化劑因為含有較多的配位不飽和位、表面缺陷和局部無序結(jié)構(gòu)比高度結(jié)晶態(tài)的電催化劑具有更高的催化活性。產(chǎn)生非晶-納米晶界進而增加活性位點數(shù)量以提高OER催化活性是一種很有吸引力和前景的策略。然而，上述這些策略并未應(yīng)用于堿性近海海水電解過程中。

發(fā)明內(nèi)容

本申請實施例的目的在于提供一種析氧反應(yīng)催化劑、制備、應(yīng)用、電解裝置及海水裂解方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的海水裂解電催化劑無法滿足大電流密度(≥500mA/cm²)和低過電位≤300mV下的需求的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本申請采用的技術(shù)方案是：提供一種析氧反應(yīng)催化劑，包括泡沫鎳基底和負載在泡沫鎳基底上的非晶態(tài)/納米晶堿性碳酸鐵。