[发明专利]一种碱性电解水阳极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碱性电解水阳极及其制备方法，将经过预处理的导电基体采用阴极电化学沉积在其表面生长合金尖锥阵列，得到碱性电解水阳极，其包括导电基体以及负载在导电基体表面的合金尖锥阵列；其中，合金尖锥阵列中的合金是镍、钴、铁三种金属中的两种或三种，碱性电解水阳极应用于碱性电解液中电解水时，发生析氧反应，各合金尖锥的表面与碱性电解液接触的部分先被氧化形成金属氧化物和/或金属氢氧化物和/或LDH，然后生成金属羟基氧化物，并稳定在该状态作为析氧反应的活性中心；停止工作时金属羟基氧化物变为金属氧化物和/或金属氢氧化物和/或LDH并以纳米层的形式稳定在该状态。本发明具有超高的析氧活性，且在大电流下可长期稳定工作。

技术领域

本发明属于电极材料技术及电化学技术，具体涉及一种碱性电解水阳极及其制备方法。

背景技术

碱性电解水技术是目前最为成熟的电解水制氢技术，由于其在碱性环境下工作，不需要使用贵金属作为电极材料，因此占据了电解水制氢主要市场份额，但是其电解水的效率较低(约70％)，需要进一步提高以降低成本。电解水的两个半反应中，在阳极发生的析氧反应需要较高的能量来克服动力学障碍，是电解水的瓶颈。因此需要进一步提高阳极材的析氧电催化性能，降低析氧反应过电位，以提高电解水的效率。

电催化反应的典型途径主要包括三个步骤：电荷转移和表面转化(如反应物的化学吸附和产物从电极表面脱附)、电荷传导以及传质过程。许多研究致力于电荷转移与表面转化步骤，通过增加析氧反应活性位点的密度和优化催化剂与反应中间体的结合能来实现高活性的电解水阳极材料，优化催化剂与反应中间体的结合能的一种可行的方法是调控催化剂的组成，如合金化和掺杂不同价态的原子，另一种方法是引入缺陷，如氧空位，原子畸变，相界，应变，孪晶，晶界和层错缺陷等。在电荷传导方面，可以采用无粘结剂催化剂、金属(合金)核心催化剂和高导电性载体来降低电阻。改善传质过程通常可以通过提高催化剂的表面润湿性以协助极性反应物在界面上的吸附，或通过表面粗糙化和功能化形成疏气表面，加速气泡消散。然而目前碱性电解水阳极的研究大多是优化某一个步骤或者两个步骤，很少同时对以上三个步骤进行优化。且传质步骤中，目前的碱性电解水阳极设计没有考虑反应物从溶液本体至电极表面传输过程对反应活性的影响。众所周知，传质通常是整个电化学反应动力学的瓶颈，特别是在大电流密度下(200-500mA/cm²)。因此，设计并制备以上过程同时得到优化的碱性电解水阳极，对提高电解水效率至关重要。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种碱性电解水阳极及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

将经过预处理的导电基体采用阴极电化学沉积方法在所述导电基体的表面生长合金尖锥阵列，得到所述碱性电解水阳极，其包括所述导电基体以及负载在所述导电基体表面的所述合金尖锥阵列；其中，所述合金尖锥阵列中的合金是镍、钴、铁三种金属中的两种或三种；所述碱性电解水阳极应用于碱性电解液中电解水时，发生析氧反应，所述合金尖锥阵列中的各合金尖锥的表面与所述碱性电解液接触的部分先被氧化形成金属氧化物和/或金属氢氧化物和/或层状双金属氢氧化物(LDH)，然后生成金属羟基氧化物，并稳定在金属羟基氧化物状态，所述金属羟基氧化物为析氧反应的活性中心；停止工作时所述金属羟基氧化物变为所述金属氧化物和/或所述金属氢氧化物和/或所述LDH并以纳米层的形式稳定在该状态。