[发明专利]一种碱性水电解用双功能电极及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种碱性水电解全电池用双功能电极及其制备方法与应用，所述电极既可以催化碱性水电解的阴极析氢反应，又可以催化碱性水电解阳极的析氧反应。所述的双功能电极中，同时存在S和O两种元素，硫化物能促进HER的快速发生，而氧化物则会促进OER的发生。该双功能电极由催化剂均匀包覆在多孔导电材料的纤维表面，构成了三维电极，拓展了电极厚度方向上的反应面积，不仅能促进电子传递和物质的传输，还能够为水电解反应提供更多的反应活性位点，从而降低了OER的起始电位，同时还提高了水电解反应的速度。

技术领域

本发明属于碱性水电解技术领域，具体涉及一种碱性水电解用的电极及其制备方法与应用。

背景技术

H₂是一种高能量密度的化学能量载体燃料，具有可再生和零排放的突出优势，可作为燃料或原料，应用于多个领域，包括交通运输(如氢燃料电池车)、甲醇和钢铁生产等。在各种制氢途径中，电化学分解水法(电解水)制氢是一种简单、且可实现可持续大规模化的有效方法，该方法制备的H₂主要用于需要高纯度氢的市场(例如，电子产品和多晶硅)。

随着可再生能源发电成本的下降，特别是太阳能光伏和风能发电成本的下降，人们对电解水制氢的兴趣越来越浓厚。

目前存在三种主要的电解水制氢技术，分别是碱性电解水、质子交换膜电解水和固体氧化物电解水(SOECs)。其中，碱性电解水技术的特点是可以采用价格低廉的过渡金属作为催化剂材料，相对于其他水电解技术的成本较低；质子交换膜电解水技术需要昂贵的电极催化剂(铂、铱)和膜材料，而且其电解槽的寿命目前比碱性电解槽短。目前，它们的总成本高于碱性电解槽，而且应用范围较窄。SOEC技术则是在高温下工作，具有很高的电气效率。但需要热源，而且由于高温操作导致的材料降解问题是该技术需要解决的一个关键性挑战。

在目前报道的应用于碱性水电解电池的各种材料中，过渡金属硫化物的优势非常突出。迄今为止，已经报道了一些硫化物催化剂同时催化碱性电解质溶液中的氧析出反应(OER)和氢析出反应(HER)。如Teng等报道，将在平板电极表面利用电沉积技术制备的NiCo泡沫合金和NiFe泡沫合金或NiCu泡沫合金分别作为碱性水电解HER和OER催化剂(ACSSustainable Chem.Eng.2019,7,5412-5419)，在1.73V和1.71V电解电压下获得了400mAcm-2的高催化反应速率，并且在100mA cm-2反应条件下连续电解数小时，水电解性能稳定，该研究结果的报道对过渡金属硫化物在电解水领域的应用具有重要意义。在这些报道中，由于Ni，Fe和Cu等金属在水电解的高氧化电位下会发生电化学氧化，引起催化剂表面的合金成分发生改变；此外，OER反应的中间产物—原子氧的高活性也促进了这些金属的快速氧化，从而导致催化剂的催化活性在更长期运行过程中逐渐衰减。

发明内容

基于以上的背景技术，本发明目的在于提供一种碱性水电解全电池用双功能电极的制备方法，首先在电极支撑体表面电沉积纳米球形的合金催化剂粒子，然后进行硫化，最后进行氧化。所述的合金催化剂由二元过渡金属组成；所述的合金催化剂粒子粒径为50nm～500nm；所述的硫化过程采用水热法进行；所述的氧化过程采用热处理方法进行，所述的双功能电极中，同时存在S和O两种元素，硫化物能促进HER的快速发生，而氧化物则会促进OER的发生；而且，由于催化剂制备过程中引入了空气氧化步骤，强化了催化剂表面组成的稳定性。具体采取如下技术方案：

本发明一方面提供一种碱性水电解全电池用双功能电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)在导电支撑体表面电沉积合金催化剂；

(2)将步骤(1)的产物采用水热法硫化处理；

(3)将步骤(2)的产物通过热处理的氧化，得到所述的电极。