[发明专利]析氧反应催化剂、制备、应用、电解装置及海水裂解方法

说明书

本申请实施例提供一种析氧反应催化剂、制备、应用、电解装置及海水裂解方法。析氧反应催化剂包括泡沫镍基底和负载在所述泡沫镍基底上的非晶态/纳米晶碱性碳酸铁。碱性碳酸铁镍(FeNiCH)的非晶态和纳米晶混合结构中含有较多的表面吸附氧和氧缺陷，它们可能会调节Fe(III)/Ni(II)的电子结构，优化OER中间体的吸附能。且表面吸附氧和缺陷氧可能与其抗氯化物和高耐蚀性有关。因而，上述析氧反应催化剂的电催化OER性能受氯离子影响较小，应用于电解池时在较长电解时间电解池仍能很好地保持其高性能，并且其在碱性近海海水电解中表现出优异的OER性能，可满足大电流密度(≥500mA/cm²)和低过电位≤300mV的要求。

技术领域

本申请涉及海水裂解领域，更具体地说，涉及析氧反应催化剂、制备、应用、电解装置及海水裂解方法。

背景技术

海水占世界水资源总量的97％，是地球上最丰富的自然资源之一。直接裂解海水生产清洁的氢燃料是一种很有前途的可再生能源存储技术。特别是对受污染的海水进行分解，在修复受污染海水的同时，还能产生高纯度的氢燃料，已成为一种潜在的解决全球能源和环境问题的方法。然而，海水裂解面临的主要挑战是来自海水中的各种溶解的离子可能毒害或降解阴极和阳极电催化剂。海水中氯离子在反应过程中可能形成活性氯化合物，对阳极造成严重的腐蚀影响。在电解过程中，海水中溶解的金属离子也可能形成微溶性氢氧化物沉淀，导致阴极电催化剂表面钝化。除腐蚀相关问题外，阳极上析氧反应(oxygenevolution reaction，简称OER)与氯离子氧化反应之间的竞争也是海水裂解过程中的另一个主要难题。

沿岸天然海水中重金属离子和生物污染物的含量远高于近海海域海水。天然海水中的一些污染物，如重金属离子、细菌和微生物，可以在碱性介质中沉淀或失活。因此，开发先进的碱性沿岸海水裂解电催化剂就显得尤为重要。

在过去的几十年里，过渡金属氢氧化物(TMOHs)因其耐久性、高性价比和高活性而被广泛应用于碱性电解系统。例如，(Ni,Fe)OH/NF材料在10mA/cm²的电流密度下只需要154mV的过电位，使其成为了能够在10mA/cm²的电流密度下所需的过电位低于200mV的最有效的OER催化剂之一。然而，该催化剂尚未应用于碱性海水电解系统。尽管结晶型的NiFe层状双氢氧化物纳米板已被证明可在碱性海水中低电流密度条件下作为OER选择性电催化剂，但其仍然不能满足在大电流密度(≥500mA/cm²)和低过电位≤300mV下的商业需求。先前的研究表明，TMOHs的层状结构允许水分子和阴离子的插入。较宽的层间距有利于OH^-在TMOHs层间和层外的扩散，并有利于活性中心与碱性电解质中OH^-的紧密接触。过渡金属碱式碳酸盐(TMCHs)是二维TMOHs的一类衍生物，可用公式[M²⁺_1-xM³⁺_x(OH)₂]^q+(CO₃)_q/2·nH₂O来表示。TMCHs由于包含有共享边的八面体MO₆层，在碱性电解液中对OER具有较高活性，因而受到了广泛的关注。此外，据报道，完全非晶态或纳米晶-非晶混合态的电催化剂因为含有较多的配位不饱和位、表面缺陷和局部无序结构比高度结晶态的电催化剂具有更高的催化活性。产生非晶-纳米晶界进而增加活性位点数量以提高OER催化活性是一种很有吸引力和前景的策略。然而，上述这些策略并未应用于碱性近海海水电解过程中。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种析氧反应催化剂、制备、应用、电解装置及海水裂解方法，以解决现有技术中的海水裂解电催化剂无法满足大电流密度(≥500mA/cm²)和低过电位≤300mV下的需求的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种析氧反应催化剂，包括泡沫镍基底和负载在泡沫镍基底上的非晶态/纳米晶碱性碳酸铁。