[发明专利]一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用，属于纳米材料制备和清洁能源领域，该阳极催化电极以金属泡沫作为三维载体，三维载体表面原位生长有钴掺杂的硫化镍阵列，在列阵表面覆盖一层含空位的高活性硫保护层。本发明的制备方法简单易操作、成本低、可批量扩展。该阳极催化电极具有高的本征催化活性、高暴露的活性位点、快速的质子和气体传质速率和抑制氯离子在表面的吸附的特点，用作海水电解制氢的阳极电极时，在碱性模拟海水中在较低的过电位下(小于400mV)具有工业级的电流密度和稳定性，同时避免了析氯副反应的发生，减少了能耗，可作为工业化海水电解制氢装置的阳极电极。

技术领域

本发明属于纳米材料制备和清洁能源领域，具体涉及一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

氢(H₂)作为一种可持续和安全能源，具有142.351MJ kg^-1的能量密度且不排放任何污染，对于解决当前紧迫的环境危机和化石能源供应不足至关重要。电解水制氢在处理效率、可再生能源兼容性和生产高纯氢气的碳中和方面优于传统的石油化工技术，因此电解水制氢成为未来一种有吸引力的可再生能源存储解决方案。电解水制氢除了阴极析氢半反应(HER)，还必须包括阳极半反应，一般为析氧反应(OER)。然而由于其缓慢的、多步骤的质子耦合电子转移过程，极大地阻碍了电解水产氢的整体效率，因此，开发高活性和稳定的OER催化电极是电解水产氢的关键。

电解水制氢的另一个重大问题是自然界淡水资源缺乏，使用淡水作为电解水产氢的电解液将对重要的水资源带来沉重的压力。海洋占据了地球96.5％的水储备，提供了无限的氢资源，而不会对全球淡水资源造成严重影响，是未来电解水制氢的有前景的电解液。然而，海水中多种金属离子的干扰，导致海水电解制氢OER电催化剂的活性和稳定性都不理想，一直不能满足工业化的需求。特别是天然海水中存在的氯阴离子(Cl^-，约0.5M)，会在阳极导致析氯副反应(ClER)，与OER竞争。虽然OER具有热力学优势，但其复杂的四电子转移反应比只有两个电子的ClER反应动力学更为迟缓。在碱性条件下(pH7.5)，Cl^-与OH^-进一步反应生成次氯酸盐(Cl^-+2OH^-→ClO^-+H₂O+2e^-)，保持了与OER的最大热力学电位差(约480mV)，为OER提供了一个方便的选择性电位差窗口。综上所述，碱性条件有利于海水的选择性氧化，OER催化剂如果在480mV过电位之前实现工业级高电流密度输出就可以避免次氯酸盐的形成。此外，氯化物腐蚀和不溶性沉淀物或微生物的中毒也会损害电极材料的稳定性和使用寿命，这对电极材料的结构稳定性和耐腐蚀性提出了更高的要求。然而，到目前为止，要减小极化过电位，需要在远低于工业标准的电流密度(500-1000mA cm^-2)下进行电解(200mA cm^-2)。因此，为满足工业级应用，开发能够在超低电位下(低于480mV)驱动大电流密度(500-1000mA cm^-2)并保持良好稳定性的OER电催化剂非常有必要和具有挑战性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极及其制备方法与应用，本发明提供的阳极催化电极在安培级电流密度下持续稳定的产氢而不受Cl^-氧化等副反应的影响。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，提供了一种应用于工业级电流密度下海水电解制氢的阳极催化电极，其特征在于，所述阳极催化电极以金属泡沫作为三维载体，三维载体表面原位生长有钴掺杂的硫化镍阵列，在列阵表面覆盖一层含空位的高活性硫保护层。