[发明专利]一种复合材料及其在尿素氧化协助酸-碱电解池电解水制氢装置中的应用

说明书

本申请公开了一种复合材料及其在尿素氧化协助酸‑碱电解池电解水制氢装置中的应用，该复合材料包括纳米氯化亚铜颗粒和还原氧化石墨烯，纳米氯化亚铜颗粒负载在还原氧化石墨烯中。所述装置包括阳极电极片、阴极电极片、双极性膜、阳极室电解液和阴极室电解液；阳极催化剂为负载纳米氯化亚铜颗粒的还原氧化石墨烯复合材料；阳极室电解液为含有尿素的碱性溶液，阴极室电解液为酸性溶液。该装置的产氢起始电压仅约为0.62V，远远小于传统分解水体系中水分解的理论起始电压(1.23V)，减少超过49.6％的能耗。该装置价格低廉，操作简单，性能优越，且可以缓解尿素污染，在能源转化和存储等方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本申请涉及一种复合材料及其在尿素氧化协助酸-碱电解池电解水制氢装置中的应用，属于化学、无机催化剂材料和电解制氢技术领域。

背景技术

氢气作为一种公认的可再生清洁能源，有望取代不可再生化石燃料能源。然而，目前大规模的氢气来自于化石燃料的裂解，这个过程可能释放一些有毒有害气体，给环境造成污染，因而需要寻找一种有利于持续发展的制氢方法。随着越来越多的电能来自于无限的太阳能、风能、潮汐能等，电分解水制氢受到广泛关注。然而，由于阳极端析氧反应(OER)动力学迟缓(1.23V相对于可逆氢电极)而导致水分解产氢气需要更高的能量来克服过电势，远超出热力学所决定的理论电势(1.23V)的电势。此外，氧气的经济价值相对较小，且电解水的过程中同时产生H₂和O₂可能会导致形成爆炸性气体混合物。因此，寻找一种氧化电势较低且有一定价值的氧化反应取代OER可以降低制氢能耗且实现其他价值。

通过文献调研，大多数用于尿素氧化(UOR)的催化剂在碱性电解质中表现出更佳的性能，而用于析氢(HER)的催化剂在酸性电解质中呈现更好的催化性能。因此，将UOR在碱性电解液和HER在酸性电解中相结合，不仅催化剂能够在合适的环境中发挥最佳作用，而且可以形成具有pH 梯度的浓差电池，如此可以进一步降低水分解所需电压。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种复合材料，该复合材料作为尿素的氧化反应的电催化剂，具有良好的催化效果，其催化的效率高，节约能源。该复合材料的制备方法简单、能耗低、适合工业化生产，制得的复合材料对尿素的电催化氧化的效率高，节约能源。

所述复合材料，其特征在于，包括纳米氯化亚铜颗粒和还原氧化石墨烯，纳米氯化亚铜颗粒负载在还原氧化石墨烯中；所述纳米氯化亚铜颗粒的粒径小于20nm。

所述复合材料的制备方法，至少包括下述步骤：

a)向含有CuCl₂、氧化石墨烯和水的混合物中加入氨水和水合肼，得到初始混合物；

b)将所得初始混合物置于90～100℃温度下保持不少于0.5小时，分离所得固相经冷冻干燥后得到前驱体I；

c)将前驱体I置于惰性气氛中于250℃～350℃温度下保持不少于6小时，即得所述复合材料。

优选地，步骤a)所述初始混合物中，CuCl₂、氧化石墨烯和水的比例为：

1～2mmol CuCl₂：20～30mg氧化石墨烯：50～100g水。

进一步优选地，步骤a)所述初始混合物中，CuCl₂和氧化石墨烯的比例为：

1.2～1.8mmol CuCl₂：22～28mg氧化石墨烯。

更进一步优选地，步骤a)所述初始混合物中，CuCl₂和氧化石墨烯的比例为：

1.5mmol CuCl₂：25mg氧化石墨烯。