[发明专利]一种不锈钢基电解水催化电极及其制备方法

说明书

一种不锈钢基电解水催化电极及其制备方法，属于电催化材料制备技术领域。该电极是在不锈钢基体上分布有三维微米凸起阵列，凸起阵列表面随机分布有大小不一的微米球，微米球表面覆盖有纳米颗粒无序堆积而成的氧化物纳米绒状结构。所述方法首先利用高能密度脉冲激光烧蚀不锈钢基体表面形成微米凸起阵列，然后用纳秒脉冲激光烧蚀凸起阵列表面形成微米球和纳米绒状结构，从而得到无需粘接剂的自支撑催化电极。该电极表现出优异的电解水析氢、析氧和全解水性能和高稳定性，其制备方法简单可控、可大面积制备，原料廉价易得，可用于燃料电池汽车用氢气、水下装备制氧、医用制氢制氧、氢水杯、高原制氧、便携式制氢制氧装备等广泛的应用领域。

技术领域

本发明具体涉及一种不锈钢基电解水催化电极及其激光制备方法，属于电催化材料制备技术领域。

背景技术

化石燃料及其衍生品已经渗透到人类日常生活的方方面面，现代社会的正常运转离不开对传统化石燃料的依赖，经济的快速发展更是加剧了对化石燃料的消耗，因此，人类面临着越来越大的能源压力。一方面，化石燃料，如煤、石油、天然气等，在地壳中的储量是有限的，也是不可再生的，终究有被开采枯竭的时候。另一方面，化石燃料在开采提炼和燃烧使用过程中都会对人类生存环境产生不利影响，排放的氮氧化物和硫化物可能形成酸雨，排放的二氧化碳会进一步加剧温室效应。因此，人们投入巨大的人力、物力和财力发展可持续的新技术，以提供绿色、廉价和可再生的能源。

氢气作为一种很有发展潜力的二次能源，受到科研和工业领域越来越多的关注，其原因主要有：燃烧产物为水，环保无污染；很高的发热值，是汽油的3倍；利用形式多样，可用于燃料电池或内燃机等；生产原料可以是水，储量丰富。工业上制取氢气的方法主要有3种：甲烷/水蒸气重整、煤炭气化和电解水。前两种制取方法仍然完全依赖化石燃料，而且不可避免会产生大量的二氧化碳。而电解水可实现零排放，原料丰富，环境友好，是一种可持续的技术，吸引了研究者的广泛关注。已知最有效的电解水催化剂多为贵金属，其中析氢催化剂为Pt，析氧催化剂为RuO₂或IrO₂，但是贵金属储量低、成本高，限制了电解水的大规模应用。因此，寻求高效低成本的电解水催化剂成为了一项紧迫而富有挑战的任务。

研究发现，相对廉价的铁、钴、镍、锰等过渡金属的化合物(如氧化物、氢氧化物等)表现出了优良的电催化析氢、析氧和全解水性能。以镍为主的镍基催化剂在实际工业的碱性电解水中得到了成熟应用，但是这样的催化剂多是以电镀、涂覆等方式负载于电极上，长时间工作过程中容易剥落，催化性能衰退。因此，提高催化剂稳定性是目前电催化材料制备领域一个亟待解决的问题。另外，铁是地壳中储量第二多的金属，远大于其他过渡金属，因此，构建以铁为主的催化剂可进一步降低电解水的成本。常见的不锈钢就是以Fe作为主要元素，另外掺有Ni、Cr等元素，属于潜在的电解水催化材料，但原始不锈钢的催化性能并不理想，经过某些方法处理，可一定程度上提高其催化性能。表面处理主要有以下两类方法：第一类方法是在不锈钢表面引入杂质元素P、Se等，如专利CN106486680A、专利CN106268876A。例如专利CN106486680A提出一种磷化不锈钢电解水催化材料的制备方法，将不锈钢基体与次磷酸盐在氩气保护下500℃煅烧2小时，得到磷化不锈钢催化剂，表现出较好的全解水性能。专利CN106268876A提出一种硒化不锈钢电解水催化材料的制备方法，将不锈钢基体与硒粉或硒酸盐在氩气保护下500℃煅烧2小时，得到硒化不锈钢催化剂，表现出较好的全解水性能。这类方法制备过程相对简单，设备要求低，但制备过程中可能会产生有毒气体，污染环境，得到的产物难以有效调控，并且难以大面积制备方便应用于实际生产。第二类方法是将不锈钢浸泡于氧化环境中形成表面氧化层或氢氧化层，如高浓度NaOH(Energy Environ.Sci.,2015,8,2685-2697)、次氯酸钠(ACS Sustainable Chem.Eng.,2017,5,10072-10083)。这样处理过的不锈钢表面富集Fe、Ni元素，表现出良好的电催化析氧性能，但是电催化析氢性能并不好，因此不能作为高效的全解水催化剂。

综上所述，简单可控地制备大面积且高效稳定的电解水催化电极仍然是一个具有重大挑战的课题。