[发明专利]一种电解水产氧复合催化电极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解水复合催化电极；特别是涉及一种高效电解水产氧催化电极及其制备方法与应用，属于电解水催化领域。

背景技术

随着全球煤、石油等不可再生能源的消耗，未来能源危机是人类必须面临的问题。在新能源领域，太阳能、风能、水能和核能等以及由此衍生的电能，由于其清洁无污染，并且可再生，是未来主要考虑的能源。但这些新能源的存储和连续供应性是必须解决的一个问题，其中将其转化成化学能是一个主要的途径，如电解水制氢和氧。研究高效的电解水产氧催化剂需要付出大量的努力。迄今为止，最有效的产氧催化剂主要是具有低过电势的贵金属氧化物，如RuO₂和IrO₂。但是由于贵金属的高成本和稀缺性限制了其在产氧反应中的大规模应用。现在基于过渡金属氧化物的电解水产氧催化剂，如锰、钴和镍等氧化物，由于低廉的价格和相对高的催化活性引起研究人员的广泛关注。经过几十年研究人员的努力，通过改变氧化物复合结构、形貌和负载基底等方法，降低了催化剂的过电势。虽然如此，基于过渡金属氧化物的催化剂的过电势仍然非常大，远大于Ru基催化剂(碱性条件下，过电势只有大约140mV)。因此，现在降低过渡金属化合物催化剂的过电势仍然是一种迫切需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种合成方法简单，成本低，具有高电解水催化效果的电解水产氧复合催化电极。

本发明另一目的在于提供所述电解水产氧复合催化电极的制备方法。

本发明再有一目的在于提供电解水产氧复合催化电极在碱性电解水产氧中的应用。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种电解水产氧复合催化电极，该电极表示式为Ni(OH)₂/Ni₃S₂/Ni，以Ni(OH)₂薄层为外层包裹层，Ni₃S₂纳米颗粒为活性物质，Ni泡沫为导电基底。

一种电解水产氧复合催化电极的制备方法，包括如下步骤：

1）预处理：将金属镍源依次用去离子水、酒精和丙酮超声清洗，除去表面有机物；金属镍源为泡沫镍或镍片；

2）低温水热硫化处理金属镍：将预处理后的金属镍源浸渍于硫源的水溶液中，装入高压釜，140-200摄氏度水热反应1-8小时；冷却、取出硫化后的金属镍，用去离子水冲洗干净，60-100摄氏度真空干燥12-24小时，得到复合催化电极Ni(OH)₂/Ni₃S₂/Ni；所述的硫源为硫代乙酰胺、硫脲或硫化钠。

优选地，所述金属镍源的面积为1-20平方厘米。所述硫源的水溶液的体积为20-80毫升。

本发明还提供所述电解水产氧复合催化电极在碱性电解水产氧中的应用。

本发明采用简单的水热法在金属镍电极上合成了一种新的Ni(OH)₂/Ni₃S₂/Ni复合催化电极。作为低成本和环境友好的硫化镍广泛应用于电化学器件，例如超级电容器和锂电池等，但是还未应用于电解水领域。电化学测试表明，Ni(OH)₂/Ni₃S₂/Ni复合催化电极具有低的过电势，在电流密度为10mA/cm²(0.1M KOH，25℃)时，过电势仅为187mV，比钌基催化剂高大约47mV，但远小于20wt%Pt/C和其他各种氧化物，如MnO₂，Fe₂O₃和Co₃O₄。因此，本发明中Ni(OH)₂/Ni₃S₂/Ni复合催化电极是迄今为止报道的电解水产氧电位最低的无机非贵金属催化电极，很好的解决了高成本和高过电势问题。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1.电解水电位明显低于现有技术，过电势仅为187mV，但远小于20wt%Pt/C和其他各种氧化物，如MnO₂，Fe₂O₃和Co₃O₄。

2.低的过电位导致在较低的电压下产生较高的电流，从而在较低的电压下产生更多的氧气和氢气。