[发明专利]镍铁水滑石基电催化析氧电极及其制备及应用

说明书

本发明属于材料科学技术领域及电催化制氢技术领域，具体涉及一种可用于碱性介质中电解水析氧反应的镍铁水滑石基电催化电极及其制备。该电极体系以镍铁水滑石结构为催化活性中心，泡沫镍为电极材料。其在碱性介质中，可高效地电解水制备氧气，极大降低了电解水的整体过电抛，并表现出良好的稳定性。其制备工艺通过原位电沉积法在泡沫镍基底上生长镍铁水滑石复合结构，所需原料来源广泛、价格便宜，工艺成熟稳定、操作简便快捷、可控性强、过程无毒，适用于大规模生产和工业电解水反应。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域及电催化制氢技术领域，具体涉及一种在碱性介质中高效电解水制氢的镍铁水滑石基电催化析氧电极及其制备。

背景技术

氢气是一种重要的清洁能源，被认为是有希望替代化石能源的新型能源，一直以来受到全世界范围的广泛关注。近年来，随着新型发电技术的不断发展和电网系统的不断优化与升级，电解水制氢技术的优势被进一步放大，甚至被广泛誉为“最理想的工业制氢方法”。然而在电催化水分解过程中，析氧反应的动力学阻碍严重制约着水分解效率的提高。目前，铱、钌、铂等贵金属氧化物被公认为是最高效和析氧电催化剂，但是贵金属的高昂的价格和低存储量限制了该类催化剂在电解水制氧中的广泛应用以及电解水制氢工艺的长足发展。因此寻找高效、稳定、环境友好且廉价的电催化剂来代替贵金属是发展电解水的关键。

最新研究表明，层状过渡金属氧化物或氢氧化物在电催化制氧反应中表现出较高的活性及稳定性。水滑石是由层间阴离子与带正电荷层板有序组装而成的层状化合物，其中主体层板由二价过渡金属氧化物八面体共用棱边组成。位于层板的二价金属阳离子可在一定的比例范围内被离子半径相近的三价金属阳离子同晶取代，从而使主体板层带部分正电荷；层间可以交换的客体阴离子与层板间的正电荷相平衡，使水滑石整体结构呈电中性。在众多水滑石结构中，二价镍与三价铁形成的镍铁水滑石及其衍生物具有极高的电解水析氧活性，被认为是最有可能取代贵金属的电催化剂。然而，现阶段报道的这类材料的合成方法以及电极制备的方法均有局限性，如采用溶剂热法、高温锻炼法等合成方法，工艺复杂、耗能大、环境不友好等；另外通常是将制备好的电催化剂通过旋涂、喷涂、滴涂等方法负载到二维基底上，需要额外粘结剂，催化剂在电极表面结合不牢、接触不良、分散不均，导致电荷传输受阻且容易脱落等问题，严重影响了电极的最终催化活性及寿命。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种以三维泡沫镍为电极基底、镍铁水滑石层状结构为活性中心的电催化析氧电极。该电催化电极原料来源广泛、成本低廉，在碱性介质中表现出很高的催化活性及长期的结构和化学稳定性，可适用于工业电解水制氧。

本发明的目的之二是提供一种制备高效电解水制氧的镍铁水滑石基电催化析氧电极的方法。该方法设计思路清晰新颖、工艺成熟稳定、操作简便快捷、可控性强，适用于大规模生产。

本发明提供的镍铁水滑石基电催化析氢电极的制备方法，具体操作如下：

1、泡沫镍的预处理：在丙酮或乙醇中超声以脱脂除油，在超纯水超声且至少重复两次以清洗，在1～2mol/L的盐酸中超声酸化活化1～20分钟，最后再在超纯水中超声1～20分钟且至少重复两次。

2、电解液的配制：将镍基可溶性盐与铁基可溶性盐直接溶解在超纯水中。镍铁元素摩尔浓度之和为0.1mmol/L～1mol/L，其中铁元素摩尔含量为10％～80％。

3、标准三电极体系的组装：以步骤(1)中处理的泡沫镍电极为工作电极及对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以步骤(2)中所配制的溶液为电解液，组装成标准的三电极体系。

4、电沉积：将步骤(3)中组装的三电极体系连接至电化学工作站，将电解液中通入惰性气体，保持流量在5～100mL/min，恒电位或恒电流电沉积10～600s后，取出工作电极，用超纯水将多余电解液清洗干净，室温下干燥，得到所述的电催化水分解析氧电极。