[发明专利]一种用于碱性水电解的负载型镍铁复合氢氧化物析氧电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学能源转化技术领域，本发明提供一种应用于电解碱性水的低过电位析氧电极及其制备方法。

背景技术

电解水是获取氢能源的一种有效的方法，也被视为未来用于储备不稳定、间歇性的太阳能和风能的关键技术。水分解为氢气和氧气的理论电压为1.23 V，但是由于在阳极、阴极上迟缓的电化学动力学特征，导致了高的极化过电位损失，尤其是阳极析氧过程(4OH^? ? O₂ + 2H₂O + 4e^?)，过电位普遍高达300~500 mV。阳极材料是影响阳极析氧能量效率和转化效率的关键因素，现有的优良电催化剂主要包括Ir、Ru、Ni、Co、Fe等金属及其氧化物，此外还有以LaNiO₃为代表钙钛矿类和以Ni₂Co₂O₄为代表的尖晶石类氧化物。相比贵金属高昂的价格和资源的稀缺性，非贵金属的氧化物以其丰富的资源储备和低廉的价格被广泛用做电解碱性水的催化剂，其中镍铁的复合氧化物-氢氧化物展现了尤以突出的电化学析氧性能。

在基底上负载镍铁类催化剂的传统方法是涂覆-热解法，该法需要经过多次涂覆-高温热解工序，步骤繁琐且费时、耗能。文献 [Phys. Chem. Chem. Phys., 2011,13, 1162-1167] 采用阴极电沉积法在不锈钢基底上负载了镍铁复合氢氧化物，作为碱性水电解的阳极材料，在80℃和电流密度为0.5 A·cm^-2时，过电位仅为265 mV，表明镍铁复合氢氧化物是一种优良的析氧催化剂，但是该法存在成本高，且电镀液利用率低的缺点。文献 [JACS 136, 6744-6753 (2014)] 报道了在含有Fe的KOH溶液中利用化学吸附-电吸附的方法在Ni(OH)₂晶格中引入Fe来提高析氧电极性能的方法。所得Ni_0.75Fe_0.25OOH相比NiOOH降低过电位200 mV（电流密度为10 mA·cm^-2），但是该法吸附过程耗时且吸附液利用率低。

文献 [JACS 135, 8452-8455 (2013)] 报道了一种利用水热法在氧化后的碳纳米管生生长镍铁水滑石纳米片后作为析氧电催化剂，在室温下和电流密度为10mA·cm^-2时，过电位不到300 mV，且碳载体材料在稳定性测试中也未出现腐蚀的情况。授权专利CN102220601B报道了一种含有FeOOH的析氧电极材料及其制备方法，其制备方法特征在于将泡沫镍置于10 mmol FeSO₄和40 mmol尿素的水溶液的水热反应，所得含有FeOOH镍基电极材料在室温下和电流密度超过70 mA·cm^-2时，过电位为400mV。但是水热法负载过程存在反应时间过长、且单位体积反应釜催化剂产率低等缺点。授权专利CN102220601B也提到了采用FeOOH、镍粉、碳粉和聚四氟乙烯直接混合均匀后涂覆在基底上制备析氧电极材料，但是其FeOOH本身也需要预先通过水热法制备。

综上所述，采取涂覆-热解法、电沉积法、水热法、吸附法制备镍铁类析氧电极材料时存在工序复杂或耗时、原料利用率低的缺点，这些不足极大的限制了这些析氧电极材料在电解碱性水制氢行业的应用前景和工业价值。

发明内容

针对现有镍铁复合氧化物/氢氧化物电极及其制备方法的缺点，提出本发明。本发明的目的在于提供一种用于碱性水电解的负载型NiFe复合氢氧化物析氧电极，具有过电位低、稳定性好的优点。本发明的目的还在于提供了一种制备负载型金属复合氢氧化物析氧电极的制备方法，该方法具备工序简单、条件温和、时间短、原料利用率高的特点。

本发明提供的一种用于碱性水电解的负载型镍铁复合氢氧化物析氧电极及其制备方法区别于现有技术的特征在于，直接以金属盐溶液与导电载体、粘合剂、溶剂通过简单的物理辊压得到金属盐/碳膜，然后通过中低温热处理、原位沉积和物理压合得到性能优良的负载型镍铁复合氢氧化物析氧电极。