[發明專利]一種自支撐型催化電極的制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110090706.1
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112921351B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 王保國;王培燦;林育群
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C25B11/054
• 分類號: C25B11/054;C25B11/061;C25B11/091;C25B11/031;C25B1/04;C22C19/03;C22C38/08;C23F1/28;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

本發明公開了屬于電解水制取氫氣和氧氣技術領域的一種自支撐型催化電極的制備方法和應用。包括將鎳鐵合金浸入含有乙二醇的酸性水溶液中，取出清洗后在空氣中晾干的步驟。本發明制備過程通過一步酸刻蝕方法實現，制備工藝簡單、僅需要將洗凈的泡沫鎳鐵浸入硫酸的乙二醇水溶液中，即可進行生產；條件溫和、安全性高，原料價格低廉，無污染物排放，所制備電極具有高催化析氧活性，能夠有效降低電解水能耗，具備批量化制造可行性。

技術領域

本發明屬于電解水制取氫氣和氧氣技術領域，特別涉及一種自支撐型催化電極的制備方法和應用。

背景技術

隨著世界能源需求的高速增長，作為主要能源的化石燃料不僅總量有限，而且會造成溫室效應和空氣污染等環境問題，人類亟需發展綠色清潔的能源載體替代化石燃料。由于氫氣具有質量能量密度高、來源廣泛和燃燒反應產物無污染等優點，被認為是未來潛力巨大的能源載體。目前，大部分的氫氣來源于天然氣、煤、石油的水蒸氣重整過程，伴隨著大量環境污染物排放。因此，發展零碳排放的電解水制氫技術，對于減少化石能源消耗，降低環境污染物排放，變得十分重要，得到越來越多研究關注。現有電解水制氫過程能耗高、成本高，阻礙了電解水制氫的大規模工業應用。研發具有高催化活性的析氫催化劑、析氧催化劑，是降低電解水過程能耗的有效方法。在催化析氧反應過程，二氧化銥或二氧化釕催化活性高。但是，這些金屬元素在地殼中含量少，價格昂貴，難于在商業電解水領域推廣應用。因此，研究開發價格較低，制備工藝簡單，高活性的析氧催化電極十分重要。

目前，研究開發的電解水制氫用途的電催化劑，多數為粉末狀催化劑，需要使用粘結劑，將具有催化活性的材料固定在集流體上。該類工藝存在明顯缺陷，其一，催化活性位點容易被粘結劑覆蓋，降低催化活性；其二，引入粘結劑會導致額外的電阻，導致工作電壓升高；其三，使用粘結劑不但增加了制備成本，又使得制備工藝繁瑣。

為了克服以上電催化劑制備過程所面臨的困難，人們提出在泡沫金屬表面，原位生長鎳鐵層狀雙金屬氫氧化物，在堿性條件下，被證實具有優異的析氧性能。通常采用三種技術制備“一體化”結構的催化電極，包括1)電沉積法；2)水熱法；3)催化活性元素物理混合法。具體情況列舉如下。

專利(CN110656348A)以三價鉻基鹽溶液為電解質溶液，以泡沫鎳為陰極，以鐵為陽極，以恒電位或恒電流進行電沉積過程，制備催化析氧電極；或者，專利(CN 108193227A)報道，將鎳基可溶性鹽與鐵基可溶性鹽直接溶解在超純水中，通過原位電沉積法在泡沫鎳基底上生長鎳鐵水滑石復合結構薄膜。專利(CN 110205636 A)將電刻蝕與電沉積相結合，制備具有多孔層級結構的鎳鐵/鎳/鎳催化電極，用于電解水的析氧電極。專利(CN110354862A)采用水熱法，在泡沫鎳導電基體表面上原位合成三維鎳鐵水滑石納米片狀材料。使用六水合硝酸鎳與九水合硝酸鐵為鐵源和鎳源、六水合硝酸鈰為輔助合成劑、尿素為水解劑、泡沫鎳為導電基體。此外，專利(CN 104659357 A)直接以鎳、鐵的混合金屬鹽溶液與導電載體(C)、粘合劑通過簡單的物理混合-滾壓得到金屬鹽/C膜，通過中低溫熱處理、原位沉淀和壓合金屬集流體，得到鎳鐵復合氫氧化物/C/M析氧電極。雖然這些改進方法不再使用粘結劑，能夠防止催化活性組分快速脫離，使得催化析氧電極性能得到顯著提高。然而，上述三種技術方法存在制備過程使用化學藥品種類多，制備步驟多，工藝可靠性差的缺陷，發展簡單高效，綠色友好的工藝，制備鎳鐵層狀雙金屬氫氧化物析氧電極十分重要。

發明內容

本發明的目的在于提供一種自支撐型催化電極的制備方法和應用，具體技術方案如下：

一種自支撐型催化電極的制備方法，包括將鎳鐵合金浸入含有乙二醇的酸性水溶液中，取出后在空氣中晾干的步驟。

進一步地，所述鎳鐵合金先經鹽酸水溶液中浸泡處理，再浸入含有乙二醇的酸性水溶液中。

進一步地，所述鎳鐵合金中鎳與鐵的質量比例為1:10～10:1，優選為5：5。

進一步地，所述鎳鐵合金包括泡沫鎳鐵、鎳鐵絲網、鎳鐵箔、鎳鐵板中的任意一種或多種。