[发明专利]一种三维大电流析氧催化电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电解水技术领域，涉及一种三维大电流析氧催化电极材料及其制备方法与应用。本发明利用光固化3D打印技术，将电极的基体用成本低廉的塑料按照设计的形状打印出来，然后在基体表面构筑金属底层以增强其导电性，最后，将其放在催化剂溶液中以增强电极的催化性能。制备的析氧催化电极材料拥有稳定且分布均匀微观结构，通过3D打印的灵活性能够实现催化电极的可定制。电极基体的材料为塑料且只在表面进行修饰，极大地减少了所需要的催化材料的数量。制备的析氧催化电极能够驱动大电流密度条件下的析氧反应，所以制备的析氧催化电极可以实现低成本、可定制、可工业化应用。

技术领域

本发明属于电解水技术领域，涉及一种三维大电流析氧催化电极材料及其制备方法与应用。

发明背景

随着科技的进步，对能源的需求日益增大。现阶段，全球的能源主要来源于化石燃料等不可再生资源，如煤炭、石油、天然气等，但是由于化石燃料的日益减少带来的能源危机和化石燃料燃烧所造成的环境污染等问题，使研究者对清洁、可再生资源的渴求日益增大。越来越多的研究者致力于开发像太阳能、氢能、核能、风能等可再生能源来替代化石燃料。相对于分散、密度低、不稳定、不易储存、成本高的太阳能和风能，氢因其无污染排放、能量密度大、可运输易储存等优点受到广泛关注。然而，目前主要氢能的来源是化石燃料中碳氢化合物的催化重整，会产生碳排放，造成环境污染。因此，环境友好的制氢过程被不断探索，在众多的制氢过程中，电解水制氢法在生产过程中因其可持续、无任何污染排放，具有很好的发展前景。

电解水反应分为两个半反应，分别是阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。理想状态下，电解水反应的电压为1.23V，但实际上为了克服在水分解过程的种种阻碍，实际所需电压远高于理论值，极大增加了能源的消耗。而在电解水的两个半反应中以阳极尤显复杂，有4个电子参与其中，大大减缓了其反应动力学。因此，为了减小能耗、加速反应，设计合成阳极催化剂被广泛研究。目前，在电解水制氢的方法中，比较常用的析氧反应催化电极如CN101724856中公开的十六烷基三甲基溴化铵掺杂的泡沫镍催化电极、CN 108823588中公开的Ag修饰的Cu₂O纳米带/泡沫铜复合电极、CN 109576730中公开的在碳布上进行铁修饰的四氧化三钴纳米片阵列电极等。这些传统的电极材料虽然具有独特的开孔结构，所制备的催化电极也具有良好的稳定性。但是这些传统的材料仍存在很多的局限性，例如，这些传统的材料的耐腐蚀性不是很好、在驱动大电流密度下的析氧反应存有局限、且在市场上以复杂工艺制造的泡沫镍、泡沫铜、碳布等作为载体的催化电极不具备经济优势等。

3D打印作为增材制造中的一种形式，是一种以数字模型文件为基础，运用塑料、树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。光固化3D打印是运用三维软件设计出所需要的物体，再通过切片软件与3D打印机连接逐层把实物打印出来。这种技术针对性强、工艺成本低、不需要高温处理、灵活性高、且能够保持高精度的生产方式。利用这种方式打印的催化载体能够制造出理想的任意形状。同时，3D打印的催化电极的材料主要是一些塑料等，其耐腐蚀性好、成本低廉且作为高端技术不易于被市场淘汰。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种三维大电流析氧催化电极材料及其制备方法与应用，该电极材料低成本、可定制，应用于催化电极，能够驱动大电流密度条件下的析氧反应，可工业化应用。

为解决上述问题，本发明提供了一种三维大电流析氧催化电极材料，所述三维大电流析氧催化电极材料由塑料基体表面构筑金属催化底层后再负载催化层得到。

进一步的，所述塑料基体可用光固化3D打印得到，所述塑料基体的材料选自ABS、聚氨酯丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、丙烯酸酸性丙烯酸酯和氨基丙烯酸酯中的一种。

进一步的，所述塑料基体为表面为平面的长方体、具有线性结构的镂空长方体或具有正方形阵列的镂空长方体。

进一步的，所述金属催化底层为镍层、银层、铂层、镍磷层和镍硫层中的一种。