[发明专利]一种用于长周期海水电解的分层包夹电极配置结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于长周期海水电解的分层包夹电极配置结构及其制备方法，该结构包括电极基底和电极材料层，电极材料层和电极基底为非对称包夹结构，所述电极基底的一端暴露，另一端完全被电极材料层包覆；电极材料层由内至外依次包括底层过渡层、中间辅助层、中间活性层和外层保护层，其中，所述底层过渡层、中间辅助层、中间活性层和外层保护层为非对称内外层级结构，具有水平投影面积重叠的正对面积分量，也具有投影面积不重叠的非正对面积分量。本发明基于多组分协同作用，联合活性层提升催化活性抑制氯气析出，同时利用保护层限制海水环境中有害离子对电极的侵入，提高电极的耐腐蚀性，实现稳定高效的长周期海水电解。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种用于长周期海水电解的分层包夹电极配置结构及其制备方法。

背景技术

全球能源格局正在经历由依赖传统化石能源向追求清洁高效能源的深刻转变，氢气作为一种理想的清洁能源载体，既可以作为能源载体代替汽油、柴油等直接作为燃料使用，又是重要的工业气体。面对潜在的大规模的用氢需求，急需发展高效、绿色的制氢技术。电解水制氢被认为是最可行的清洁制氢技术，然而，地球上的水总体积约有13亿8600万立方千米，其中96.5％分布在海洋，淡水只有3500万立方千米左右，因此，直接电解海水已经成为未来新的制氢技术发展方向。

与高纯度蒸馏淡水截然不同，天然海水是一个复杂的系统，包括有各种无机离子(如Cl^-、Br^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等)和海洋微生物，这为直接电解海水带了巨大的挑战，主要表现在阳极上析氧反应(OER)和析氯反应(CER)之间的竞争，以及高氯海水对电极和催化剂材料的严重腐蚀。基于热力学角度分析，OER具有比CER更低的平衡电势，而且其差值随着pH值的增加而増大，研究表明，在碱性条件下，OER最高可在490mV的过电位窗口中不受CER干扰。但鉴于CER为二电子转移反应，相比于四电子转移反应的OER，具有更优异的动力学优势，在实际电解过程中OER的潜在反应窗口会被压缩。因此，研发具备高活性和选择性的催化剂，有效降低OER过电位，对于避免海水电解过程中不利的氯化物化学反应至关重要。此外，海水中存在大量具有侵蚀性的氯离子，不仅能直接腐蚀催化剂和电极基底，而且会破坏电解液环境并对反应系统造成负面影响，严重缩短电极和催化剂材料的使用寿命。因此，有必要针对性的开发设计同时具有高选择性和耐腐蚀性功能的电极结构，来解决长周期电解海水制氢过程中的析氯和腐蚀问题。

目前，在海水电解领域，专利CN101956206B、CN110923738B、CN110592608B等在电解装置方面做出了有效设计，其基本原理都是对海水进行预处理，达到目标条件后进行电解，操作过程复杂，增加了生产成本，因此亟需能直接用于海水环境电解的电极；专利CN108660473B提出了一种基于MXene与过渡金属碳化物复合纳米结构的电解海水制氢催化剂及其合成方法，对电解海水制氢表现出优异的催化活性，但是催化剂在海水中运行18小时后发生损耗。主要是该方法仅限于合成颗粒状或粉末状催化剂，既未对集流体、催化剂负载方法、负载顺序等电极结构进行特定设计，也未对海水中的高浓度氯离子腐蚀进行防护。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于长周期海水电解的分层包夹电极配置结构及其制备方法，通过构造过渡层/辅助层/活性层/保护层四级包夹结构，利用过渡层增强催化剂与基底集流体的结合力，辅助层提供反应位点和电荷传输通道，基于多组分协同作用，联合活性层提升催化活性抑制氯气析出，同时利用保护层限制海水环境中Cl^-、Br^-、F^-、SO₄^2-等有害离子对电极的侵入，提高电极的耐腐蚀性，实现稳定高效的长周期海水电解。

本发明是通过以下技术方案实现的：