[发明专利]非金属基体高效催化电极及其制备方法

说明书

本发明属于电化学催化电极技术领域，具体为非金属基体催化电极及其制备方法。本发明催化电极由导电催化剂覆盖非金属基体而构成；其中，非金属基体选自海绵、纸、木材、纤维、塑料、布；催化剂采用金属硼化物、金属磷化合物或金属磷硼化合物；催化剂中金属含量60‑95%，硼含量3‑20%，磷含量3‑20%；导电催化剂负载量为0.5‑10%。本发明将非金属基体进行预处理后，浸入化学镀液中，采用化学镀的方法将导电催化剂沉积于基体表面，制得催化电极。制备方法对设备要求低，反应条件温和，过程简单。所制备催化电极成本低、电催化功能膜致密并与基体结合牢固、催化活性高、循环稳定性好，在水电解、氯碱化工、污水处理等领域具有工业实用价值。

技术领域

本发明属于电化学催化电极技术领域，具体涉及一种非金属基体催化电极及其制备方法。

背景技术

催化电极是电化学反应装置中的核心部件，在水电解、氯碱化工、污水处理、海水淡化等领域均有应用。但是在实际的生产制备过程中，所用电极存在着催化剂性能较低、能耗较大、电极成本较高的问题。因此，研制具有过电位低、持久、稳定、成本低的催化电极具有重要的实际意义。

现阶段，在水电解制氢技术需求的推动下，催化电极的开发受到了极大的关注。实际生产中，评价电解水制氢技术发展水平的关键依据是单位电耗，目前较高的电耗是制约氢能被广泛应用的瓶颈。理论上，提供1.229 V的电压就可以使水分解为氢气和氧气，根据法拉第定律，制取标准体积（1 m³）的氢气的用电量为2.94 kWh，而在实际生产过程中，消耗的电量为理论的2倍。产生电能损耗的主要有水的理论分解电压E_d、总的欧姆电压∑IR、析氧过电位η_a以及析氢过电位η_b四部分。温度等条件一定，理论电压E_d为一定值；电解过程中，增大电解槽的压力、缩短电极间距、搅拌等措施对于降低总的欧姆电压效果不明显；析氢过电位与析氧过电位之和约占槽电压的1/3，目前用于降低工业生产析氧过电位的电极材料为铁镀镍材料，或是直接用镍基材料，但此催化材料存在效率较低、成本相对较高以及稳定性差等缺点；目前工业中用于析氢的电极材料为效率较低的低碳钢或是镀镍的钢板，效率仅为50%，能量损失巨大。因此，制备低成本、高性能、同时有效降低析氢、析氧过电位的电极材料为当前工业生产的迫切需要。

目前，用于电解水的电极催化材料主要分为3类：一是贵金属的铂（Pt）、铱（Ir）类，此类电极催化材料性能优异，但是价格昂贵，无法大规模生产使用；二是非贵金属合金电极，主要是铁镍合金类，此类催化材料成本低廉，但是催化效率较低，一般仅为50%；第三则是现阶段研究较多的金属与非金属复合电极，即非金属氧、磷、碳、硫等与过渡金属组成的化合物，该类材料成本较低，易于制备，性能甚至优于贵金属，在实际生产中具有推广价值。

中国发明专利201210317513.6提供了一种通过电镀将Ni-Mo-P在Ni片上高效镀层的方法，形成了析氢性能优良、镀层均匀以及介于晶态与非晶态之间的镀层。中国发明专利201610718744.6提供了海绵结构合金负载三元氧化物层析氢电极材料的制备方法，制备了复合电极，有效地降低了电解水制氢所需的电压，同时催化水分解的电流效率也得到了提升。中国发明专利201610315618.6通过水热反应，将磷元素的纳米片或纳米线进行表面电极的修饰，制备了能够直接用于三维析氧的复合电极，使电催化产氢性能大幅提升，并指出该类材料是可替代贵金属催化剂的材料。