[发明专利]一种水电解析氧催化电极的原位制备方法、电极及用途

说明书

本发明公开了一种水电解析氧催化电极的原位制备方法、电极及用途，其制备过程为，将镍铁不锈钢基材浸泡在碱性溶液中，并进行超声处理，接着将碱性溶液和镍铁不锈钢基材一起转移至保温装置中进行保温，然后取出镍铁不锈钢基材，用纯水轻轻洗去镍铁不锈钢基材表面残留碱液，再将镍铁不锈钢基材进行煅烧，得到电极。本发明的有益效果：(1)催化电极的制备方法简单，制备条件要求较低，无需精确控制工艺参数，工序少；(2)具有规模化使用前景；(3)制得的催化电极的性能优良；(4)基材使用非贵金属，并且可以根据需要制作成各种形状，都能够使用本发明的方法进行制备。

技术领域

本发明属于电化学电极领域，具体涉及一种水电解析氧催化电极的原位制备方法、电极及用途。

背景技术

使用水能、风能、潮汛能、太阳能、核能等清洁能源代替传统的煤、石油等化石能源是当今社会发展的需求。这些清洁能源需要转换为电能进行储存和传输，但峰值期的储存和转化仍未得到有效地解决，电解水制氢是电能储存与转换的最佳方式之一。在水电解过程中，因阳极析氧需从水分子中脱去4个质子形成O-O键，其动力学过程缓慢，过电位高，电能损耗巨大，是限制水电解制氢技术应用的关键(Energy Environ.Sci.,2014,7,3519；J.Mater.Chem.A,2016,4,17587；ACS Catal.,2016,6,8069)。因此，开发廉价高效的析氧催化电极，是解决水电解制氢的核心。

目前，水电解析氧电极主要以Pt、RuO₂、IrO₂等贵金属及其氧化物为主。但贵金属因价格高、稀有、稳定性和耐受性差等问题，限制了其在电解水制氢工业中的应用。针对上述问题，国内外学者和工业界致力于开发非贵金属析氧催化剂，以获得活性更高、稳定性及耐受性更好的低廉水电解析氧催化电极。第一系过渡元素(Fe、Co、Ni、Mn等)因地球储量大、价格便宜而受到广泛重视，被认为是制备水电解制氢析氧催化电极的理想非贵金属(ACSAppl.Mater.Interfaces,2015,7,21852；Energy Environ.Sci.,2013,6,579；Angew.Chem.,Int.Ed.,2014,53,8508)。当前，制备非贵金属析氧催化电极主要有两种方式。一是把非贵金属或非贵金属化合物粉体催化剂黏结在金属、玻碳等表面做成析氧电极(CN106807379A；CN107326393B)，但存在粉体材料易剥离、稳定性差等问题；二是在金属、半导体等基体上沉积非贵金属制备析氧电极(CN106917105B；CN105107535 A)，但存在沉积体系复杂、控制精准度要求高等问题。

在工业电解水制氢过程中，不锈钢因价格较低且易得而被直接用做析氧电极，但其过电位较高，需要进一步改性以降低其应用成本(ACS Energy Lett.,2018,3,574；J.Power sources,2018,395,106)。然而，当前不锈钢的直接表面改性方法较为复杂，且需使用到氯气等高毒物质(Energy Environ.Sci.,2015,8,2685；ACS Catal.,2015,5,2671)，给环境带来巨大危害。公开号为CN110791772A的中国专利文献公开了一种采用原位电化学诱导处理镍铁合金或不锈钢来获得高性能的析氧催化剂电极的方法，但仍不满足当前需求，电化学诱导方法的问题在于：(1)需要严格精准控制电化学窗口、扫描速度等实验条件，对制备条件要求极高；(2)难以规模化原位生产，无法实现市场对析氧电极的多样化需求；(3)处理后的电极的导电性大幅降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种水电解析氧催化电极的原位制备方法。

其技术方案如下：

一种水电解析氧催化电极的原位制备方法，其关键在于按照以下步骤进行：

步骤一、将镍铁不锈钢基材浸泡在碱性溶液中，并进行超声处理；

步骤二、将所述碱性溶液和镍铁不锈钢基材一起转移至保温装置中进行保温，接着取出所述镍铁不锈钢基材，用纯水洗去镍铁不锈钢基材表面残留碱液；