[发明专利]电解煤浆制氢的阳极催化电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解煤浆制氢的阳极催化电极的制备方法，特别是采用循环伏安法在纳米多孔二氧化钛薄膜上沉积铂、钌、铱催化层的阳极催化电极的制备方法，属电化学沉积工艺技术领域。

背景技术

煤的电解工艺技术早在上个世纪30年代早期就有报道，在后来的发展过程中，由于使用了价格昂贵的纯Pt片或Pt网作为电极，高阻抗和低反应速率的电解池或电解槽，不但电解反应电流过小，而且电解效率也较低，使制氢成本提高。

在1979年Coughlim和Forooque在“Nature”杂志上曾发表了煤炭解制氢的论文，之后使课题项目的研究进入了实质性的研究发展阶段。

煤浆电解制氢的反应式为：

阳极C+2H₂O→CO₂+4H⁺+4e

阴极4H⁺+4e→2H₂

总反应：C+2H₂O→CO₂+2H₂

此反应的理论电解电位为0.21V，远低于传统电解水的的理论电解电位1.23V，电解过程中，煤中的S、N等元素在电解过程中被氧化生成相应的酸，留在电解液中，不会造成象煤炭燃烧时产生的气体对环境的污染。

目前，煤浆电解制氢用催化阳极主要有两类：(1)沿用传统所用的纯Pt片或者Pt网电极。(2)用掺杂一定比例Ru、Ir的Pt系二元金属合金电极。(3)以钛为基体的Pt系单元或者二元催化电极。前面两种电极需用铂金属而导致电极价格昂贵，而且电催化活性也较低，不宜大规模应用；上述第三类电极为前期阶段所研究的电极，电极成本虽有大幅度的降低，但钛基体表面沉积的贵金属催化层比表面积没有很大程度的提高，并且硫酸电解质易于造成钛基体的腐蚀，降低电极的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服前述催化电极存在的缺点，提供一种新型的阳极催化电极的制备方法。

本发明特点在于先在金属钛基体表面氧化生成一层层状、多孔的TiO₂薄膜，然后在薄膜表面和孔中用循环伏安法沉积制备单元或二元催化层。而TiO₂薄膜则作为Pt系贵金属催化层与基体钛的一个中间阻挡层。

本发明一种电解煤浆制氢的的阳极催化电极的制备方法，其特征在于是有以下的工艺过程和步骤：

a.金属钛基体的预处理：首先将金属钛基体进行打磨抛光，随后放在丙酮中超声波除油5分钟，再用二次蒸馏水超声清洗，然后用一定浓度的氢氟酸处理1分钟，再用热的二次蒸馏水清洗干净，烘干备用。

b.钛基表面层状多孔TiO₂薄膜的制备：将上述预处理的钛基体放在电解槽内，在浓度为1mol/L的硫酸电解质中氧化5分钟，控制一定的电位，即直流电压120V，最终制得层状多孔TiO₂膜，此为制备态氧化膜；

C.将上述制备态氧化膜再用低浓度(5％)的HF处理10秒钟，使氧化膜表面清洁，同时孔径也稍有变大。

d.在TiO₂薄膜上进行催化层沉积：在电解槽内，以铂片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，以硫酸为支持电介质，再加入事先配制好的一定浓度的氯铂酸，氯化钉或者氯化铱贵金属催化剂溶液。在-0.2V-0.5V电位范围内，以50mV/S的扫描速度在有超声震荡或磁力搅拌的条件下进行扫描，催化层的沉积厚度由扫描圈数进行控制。催化剂贵金属颗粒大小控制在100纳米一下；最终制得钛—氧化钛—贵金属催化层复合的阳极催化电极。

上述的TiO₂薄膜上进行催化层沉积时所加的溶液为H₂PtCl₆6H₂O，RuCl₃，IrCl₃中的一种或两种，所述的催化层为Pt或Pt-Ru或Pt-Ir；所述的催化层Pt-Ru其两者的摩尔比为1∶1-1∶2；催化层Pt-Ir其两者的摩尔比为1∶1-1∶2

本发明方法的特点是：由于基体钛与贵金属催化层之间有一层TiO₂薄膜作为中间阻挡层，故在很大程度上减小了硫酸电解质对基体的腐蚀作用，大大延长了电极使用寿命，同时具有极大比表面积层状、纳米多孔结构的基体提供了贵金属催化层沉积的良好环境，可容纳更多的贵金属催化层纳米颗粒，这种结构大大提高了整个电极的比表面积，在很大程度提高了电极的催化活性。

附图说明