[发明专利]一种用于在液体环境中电解制气的多孔电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于在液体环境中电解制气的多孔电极及其制备方法，涉及电化学产气技术领域。本发明公开的多孔电极具有电极催化层，其孔隙率在远离电极基体的延伸方向上呈减小变化。本发明提供的多孔电极可显著减小电解反应所需过电势，提高在液体环境下电解制气的效率。

技术领域

本发明涉及电化学产气技术领域，具体而言，涉及一种用于在液体环境中电解制气的多孔电极及其制备方法。

背景技术

氢气是自然界最轻也是最清洁的能源载体，其大规模应用可显著降低温室气体和有害物质的排放，可形成环境友好型的能源体系。氢气可通过多种途径获取，如石油裂解制氢、煤制氢、生物制氢、电解水制氢、光催化制氢、工业副产氢等。另外，随着可再生能源的大量装机和应用，面向可再生能源的储能技术需求也愈发紧迫。电解水制氢作为一种绿色的氢气获取方法，与可再生能源结合，一方面可解决氢气来源问题，另一方面可解决可再生能源波动带来的对电网冲击问题。目前电解水制氢主要有三种方式，即碱式电解水制氢、质子交换膜电解水制氢、高温电解水制氢，其中高温电解水制氢尚处于实验研究阶段，不具备商业化条件，而碱式电解水制氢与质子交换膜电解水制氢均已实现商业化。碱式电解水制氢和质子交换膜电解水制氢采用的电解介质均为水溶液，因此电解反应时必然涉及液体、固体、气体三相反应。众所周知，电极与电解液接触面积越大，电解反应就越快，产生的氢气就越多，因此碱式电解水制氢和质子交换膜制氢均采用具有较大比表面积的多孔电极进行电解制氢。其中多孔电极可包括电极基体和电极催化涂层两部分。电解时，电解反应主要在电极催化涂层大量发生，而电极基体则为电极催化涂层提供物理支撑和电流通道。在材料体系一定时，为进一步提高电解水制氢效率，电极催化涂层一般要求具有较大比表面积，因此，电极催化层常常需要做成多孔状。

但现有的多孔电极在电解效率上仍需要提高。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在液体环境中电解制气的多孔电极及其制备方法。本发明提供的多孔电极可提高液体电解介质进入电极催化层微孔结构效率、提高电解产气从电极催化层微孔结构内排出效率，从而显著减小了电解反应所需过电势，提高在液体环境下电极制备气体的效率。

本发明是这样实现的：

基于上述问题，一方面，本发明提供一种用于在液体环境中电解制气的多孔电极，所述多孔电极包括电极基体和涂覆在所述电极基体表面的电极催化层；所述电极催化层的孔隙率在远离所述电极基体的延伸方向上呈减小变化。

在以水作为电解介质电解制备氢气(或其他液体为电解介质制备气体)的过程中，电极催化层与电解介质接触，在催化剂的作用下，接触表面的水分子被电离，形成H⁺和OH^-，并进一步获得电子形成H，或失去电子形成O，最后结合分别生产H₂(氢气)和O₂(氧气)。生成的气体以气泡的形式附着在电极催化层表面，随后进一步长大、脱附、上浮。但由于毛细孔道的存在，电解介质往往极易被渗入电极催化层内部，而电极催化层内部孔道往往是不规则的，这些连接表面的孔洞被电解介质填充后，导致内部更深的孔洞内局部压力升高，阻止电解介质的进一步渗入，因此，这些更深的孔洞失去了与电解介质接触的机会，无法参与电解反应。另外，电解时，渗入孔洞的电解介质被电解，生成的气体极易以微小气泡的形式驻留在孔洞内，阻挡外部电解介质的进入，同样导致内部更深孔洞无法与电解介质接触，失去参与电解反应的机会，进而表现为电解效率低。