自支撑电解水析氢催化电极及其制备方法和应用与流程

本发明涉及水电解制氢，具体涉及一种自支撑电解水析氢催化电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢作为一种能源载体，能量密度高，可储可运，且燃烧后唯一产物是水，因此被认为是理想的清洁替代能源。发展氢能，由灰氢过渡到绿氢是一个必然趋势。由于光催化分解水效率还比较低，因此电解水制氢有望实现灰氢过渡到绿氢。目前，商业的产氢催化剂主要为贵金属pt/c催化剂，成本高，因此开发低成本的非贵金属产氢催化剂成为大家的研究热点。

2、传统的析氢催化电极是将催化剂粉末颗粒通过聚合物粘结剂负载在气体扩散层基底上，这种类型催化电极存在如下缺点：1)聚合物粘合剂(如聚四氟乙烯或nafion等)的使用不可避免地增加了内阻，覆盖了活性位点，并阻碍气液传质；2)粉末催化剂与导电基底间的低粘附性，导致催化电极导电性差；3)在长时间或大电流电解过程中，催化剂颗粒易从基底上脱落，导致电解性能衰减。为了提高电解水制氢过程催化电极的稳定性，需要对电极进行“一体化”设计，近年来人们发展了自支撑结构的催化电极，并取得积极有效的实验结果。与传统的粉末电催化剂相比，在导电基底上原位生长具有催化活性相的自支撑电极具有以下优势：1)催化剂在导电基底上的原位生长，避免负载过程使用粘合剂粘接了催化剂，简化电极制备过程，并降低了成本；2)催化剂与基底的结合更紧密，无需额外的粘结剂，有利于加快电荷转移，并防止催化剂脱落。目前自支撑催化析氢电极或析氧电极研究较多的是基于泡沫镍为基底，原位生长nife基水滑石结构，但其更加适用于析氧电极。本发明采用泡沫铜为基底，原位生成自支撑催化电极，电极表现出较好的析氢效果，且制备方法简单、易放大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种自支撑电解水析氢催化电极及其制备方法和应用。该自支撑电解水析氢催化电极可以降低电解水制氢的成本。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种制备自支撑电解水析氢催化电极的方法，该方法包括：将亚铁盐加入50-70℃的水中得到亚铁盐的水溶液，再将表面氧化的泡沫铜置于亚铁盐的水溶液中保持10-30min，然后取出干燥。

3、本发明第二方面提供了上述所述的方法制备得到的自支撑电解水析氢催化电极。

4、本发明第三方面提供了一种水电解制氢气的方法，该方法包括：在水电解制氢气的反应条件下，以上述所述自支撑电解水析氢催化电极作为工作电极。

5、本发明采用泡沫铜为基底，原位合成自支撑析氢催化电极，可用于碱性膜电解槽。本发明的合成方法简单易于放大，有望代替贵金属催化剂，降低电解槽成本。

6、本发明的优选实施方式采用泡沫铜为基底，同源生长一维棒状氧化铜纳米结构，再将亚铁盐加入50-70℃的水中得到亚铁盐的水溶液，然后将具有一维棒状氧化铜纳米结构的泡沫铜置于亚铁盐的水溶液中合成自支撑电解水析氢催化电极。本发明制备的自支撑电解水析氢催化电极具有较低的析氢过电势。推测是因为亚铁离子与泡沫铜表面的氧化铜发生反应生成了含氧化亚铜和氧化铁的二维复合材料。

技术特征：

1.一种制备自支撑电解水析氢催化电极的方法，其特征在于，该方法包括：将亚铁盐加入50-70℃的水中得到亚铁盐的水溶液，再将表面氧化的泡沫铜置于亚铁盐的水溶液中保持10-30min，然后取出干燥。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法包括：亚铁盐为硫酸亚铁、氯化亚铁和硝酸亚铁中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述亚铁盐的水溶液的浓度为0.05-0.3mol/l。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，干燥的条件包括：温度为60-80℃，时间为2-4h。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，该方法在敞开水溶液体系下进行。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，相对于每立方厘米的泡沫铜，亚铁盐的用量为2-10mmol。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，泡沫铜的面密度为80-120ppi，厚度为0.5-3mm。

8.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述表面氧化的泡沫铜的获得方式包括：将泡沫铜与含有氧化剂和可选的碱的溶液接触进行氧化反应得到表面氧化的泡沫铜。

9.权利要求1-8中任意一项所述的方法制备得到的自支撑电解水析氢催化电极。

10.一种水电解制氢气的方法，其特征在于，该方法包括：在水电解制氢气的反应条件下，以权利要求9所述自支撑电解水析氢催化电极作为工作电极。

技术总结本发明涉及水电解制氢技术领域，公开了一种自支撑电解水析氢催化电极及其制备方法和应用。该制备方法包括：将亚铁盐加入50‑70℃的水中得到亚铁盐的水溶液，再将表面氧化的泡沫铜置于亚铁盐的水溶液中保持10‑30min，然后取出干燥。本发明制备的自支撑电解水析氢催化电极具有较低的析氢过电势。技术研发人员：冯英杰,刘东兵,付晓玥,周越,冯静受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/4/17