[发明专利]阴极、制备阴极的方法、产生氢自由基的装置和还原方法

说明书

本发明公开了阴极、制备阴极的方法、产生氢自由基的装置和还原方法。所述阴极包括衬底和位于所述衬底表面的阴极催化层，形成所述阴极催化层的材料包括钯过渡金属合金。由此，钯过渡金属合金可以与氢自由基结合，从而在钯过渡金属合金表面可以形成高吸附容量和储量的氢自由基。由于过渡金属掺杂形成的钯过渡金属合金能够有效降低钯对氢自由基吸附能，从而在还原反应的过程中，氢自由基更容易从钯过渡金属合金的表面脱附，可以更容易的利用吸附在钯过渡金属合金表面的氢自由基。也就是说，通过钯过渡金属合金，可以实现氢自由基的固定和高效利用，改善了现有氢自由基的利用率低的缺陷。

技术领域

本发明具体涉及阴极、制备阴极的方法、产生氢自由基的装置和还原方法。

背景技术

当今世界面临着化石能源枯竭和环境污染问题的双重挑战，大力发展光伏发电、风电等可再生能源，加快全球能源结构转型迫在眉睫。可再生能源-电化学转化系统因其环保性、可持续性和与现有能源基础设施的兼容性而受到广泛关注。

氢自由基(H*)是一种强还原剂(E°＝-2.1V vs RHE)。通过电化学反应生产的氢自由基应用于溶液中反应物的还原过程，被认为是一种提高还原处理效率和降低能源成本的有效技术之一。在电化学还原过程中，不仅涉及氢自由基的固定过程，还包括氢自由基的高效利用过程。现有的产生氢自由基装置存在氢自由基的利用效率低的缺陷，导致在进一步电还原过程中使用氢自由基受阻。

因此，有必要对产生氢自由基的装置进行改进。

发明内容

为改善上述技术问题，本发明提供一种阴极，所述阴极包括衬底和位于所述衬底表面的阴极催化层，形成所述阴极催化层的材料包括钯过渡金属合金。钯过渡金属合金可以与氢自由基结合，从而在钯过渡金属合金表面可以形成高吸附容量和储量的氢自由基。而且，通过过渡金属掺杂形成的钯过渡金属合金能够有效降低钯对氢自由基吸附能，从而在还原反应的过程中，可以更容易的利用吸附在钯过渡金属合金表面的氢自由基。也就是说，通过钯过渡金属合金，可以实现氢自由基的固定和高效利用，改善了现有氢自由基的利用率低的缺陷。

根据本发明的实施例，所述过渡金属包括Ti、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W、Cr中的至少一种。

进一步地，形成所述衬底的材料包括石墨片。

本发明还提供一种制备前文所述阴极的方法，所述方法包括：以石墨片为沉积衬底，采用多靶位磁控共溅射方式，在石墨片的表面形沉积钯过渡金属合金。总的来说，该方法具有前文所述阴极所具有的全部特征和优点，在此不再赘述。总的来说，由该方法制备得到的阴极可以实现氢自由基的固定和高效利用。

根据本发明的实施例，所述多靶位磁控共溅射方式包括：以直流电源连接钯金属靶材，以射频电源连接过渡金属靶材，得到钯过渡金属合金薄膜；将钯过渡金属合金薄膜在热处理气氛中进行退火处理。

根据本发明的实施例，所述钯金属靶材的溅射功率为50-300W；所述钯金属靶材的溅射时间为5-30min；进一步地，所述过渡金属靶材的溅射功率为50-400W；所述过渡金属靶材的溅射时间为5-30min；进一步地，所述钯过渡金属合金薄膜的厚度为40-400nm；进一步地，所述热处理气氛包括氮气、氢气和氧气的至少一种；进一步地，所述热处理的时间小于等于120min。

本发明还提供一种产生氢自由基的装置，包括电源、双室电解池、质子交换膜、石墨片阳极和前文所述的阴极，所述双室电解池用于容纳电解液，所述电源分别与所述阴极、所述石墨片阳极连接，所述质子交换膜将所述双室电解池分为阴极室和阳极室，所述阴极位于所述阴极室中，所述石墨片阳极位于所述阳极室中。由此，该产生氢自由基的装置具有前文所述的阴极所具有的全部特征和优点，在此不再赘述。总的来说，通过将钯过渡金属合金作为阴极催化层，可以实现氢自由基的固定和高效利用，改善了现有氢自由基的利用效率较低的缺陷。