海水电解电极制备方法、电极及应用、电解海水制氢装置

本发明属于海水电解电极制备，具体涉及一种海水电解电极制备方法、电极及其应用、电解海水制氢装置。

背景技术：

1、能源危机与环境污染问题促使各国致力于可再生能源和新型储能技术的开发。氢能是绿色、无污染、高发热值(140mj kg-1)的能源，可作为有效的绿色能源以解决传统能源枯竭和环境污染问题，已成为构建脱碳能源体系和缓解全球气候变暖的关键。电解水制氢技术是高效绿色制备氢能的一种方式，但电解水反应中阴阳极析氢、析氧反应存在较大的过电势，限制了电解水反应的速率，为提高阴阳极反应动力学，需要高效率的析氢析氧催化剂。同时，电解水反应中所需的淡水会对全球淡水资源造成巨大的压力，而地球上海水资源丰富，因此电解海水反应是未来有前景的制氢技术，但海水中存在的氯离子会对电解海水反应阳极反应产生竞争反应，析氯反应会对析氧反应产生不利影响。

2、为提高电解海水反应过程中阴阳极反应动力学，并有效避免氯离子的影响，迫切需要一种新型的海水电解用的阴阳极催化电极。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明，提供一种海水电解电极制备方法、电极及其应用、电解海水制氢装置。本发明的海水电解电极，其阴阳极作为催化电极能够实现工业级电流密度下(1000ma cm-2)持续稳定的高效全解海水产氢。

2、本发明的第一方面，提供一种海水电解电极制备方法，所述海水电解电极包括阴极，所述阴极为在泡沫镍表面原位生长钼酸镍钴/二氧化钼纳米棒结构阵列，所述阴极的制备，包括步骤：

3、s11.称取钴盐、镍盐、钼盐溶解于去离子水得到均匀溶液，将泡沫镍金属置于该溶液中，水热反应后得到钼镍钴氧化物前驱体电极；

4、s12.将钼镍钴氧化物前驱体电极在氩氢气环境中煅烧，还原得到钼酸镍钴/二氧化钼纳米棒结构电极。

5、优选的，所述钴盐、镍盐、钼盐的摩尔比为1:3:1～3:1:1，所述水热反应条件为100℃～200℃，反应2h～10h。

6、优选的，在氩氢气环境中煅烧的反应温度为400℃～600℃，反应2h～5h。

7、其中，所述海水电解电极包括阳极，所述阳极为在泡沫镍原位生长羟基氧化镍铁结构上沉积氧化石墨烯层的结构，所述阳极的制备，包括步骤：

8、s21.称取铁盐溶解于乙醇溶液得到均一溶液a，将泡沫镍金属骨架置于溶液中浸渍一段时间后，向溶液a中加入碳酸氢铵得到溶液b，将在溶液a中浸渍后的泡沫镍金属骨架继续在溶液b中浸渍一段时间得到羟基氧化镍铁电极；

9、s22.将羟基氧化镍铁电极浸泡在氧化石墨烯水溶液中，采取电沉积的方法，沉积氧化石墨烯层于羟基氧化镍铁电极上，得到羟基氧化镍铁/氧化石墨烯电极。

10、优选的，浸渍于溶液a的时间为12h～24h，浸渍于溶液b的时间为4h～8h，沉积氧化石墨烯层的片径大小为500nm～10um。

11、优选的，将羟基氧化镍铁电极浸泡在氧化石墨烯水溶液中3h，氧化石墨烯水溶液的浓度为1mg l-1。

12、本发明的第二方面，提供一种海水电解电极，所述海水电解电极包括阴极与阳极，所述阴极由所述阴极的制备方法所得，所述阳极由所述阳极的制备方法所得。

13、本发明的第三方面，提供一种海水电解电极的应用，应用于电催化淡水、碱性模拟海水和碱性海水的阳极析氧反应、阴极析氢反应和全水解反应过程中。

14、本发明的第四方面，提供一种电解海水制氢装置，包括所述海水电解电极，所述海水电解电极的阴极与阳极对应作为电解海水制氢装置的阴极和阳极。

15、本发明提供的海水电解电极，其阴阳极作为催化电极，各自以泡沫镍金属骨架作为基体，在三维载体上原位生长钼酸镍钴/二氧化钼纳米棒结构电极和羟基氧化镍铁/氧化石墨烯电极，这种三维电极改性结构有利于物质输运和气泡的有效脱离，避免了气泡对电极的遮蔽，并具有高暴露的活性位点。

16、其中，海水电解电极的阴极表面的钼物种抗海水腐蚀及表面修饰层钝化作用，使得阴极在海水中保持稳定性；特别是，新型的高活性的三维改性her电极钼酸镍钴/二氧化钼，三维电极表面的纳米棒结构可以促进气泡的有效脱离，避免了气泡对电极的遮蔽，具有优异的析氢活性、抗腐蚀性、稳定性。

17、其中，海水电解电极的阳极沉积的氧化石墨烯层作为防止氯化物腐蚀的保护层，有效阻挡次氯酸根离子，可实现工业化海水电解制氢；高活性高选择性析氧电极，二维层状保护层结构，允许小直径离子通过，避免次氯酸根离子通过，表现出优异的析氧催化活性，可以最大化析氧和氯氧化之间的热力学电势差，保证对析氧的高选择性

18、本发明提供的海水电解电极，合成条件简单，且易放大，合成过程中所需原料价格低廉，储量丰富，有利于大规模生产和工业化的应用。

19、本发明提供的电解海水制氢装置，表现出较好产氢性能，1a cm-2电流密度下电解电压仅为1.79v。

技术特征：

1.海水电解电极制备方法，其特征在于，所述海水电解电极包括阴极，所述阴极为在泡沫镍表面原位生长钼酸镍钴/二氧化钼纳米棒结构阵列，所述阴极的制备，包括步骤：

2.根据权利要求1所述海水电解电极制备方法，其特征在于，所述钴盐、镍盐、钼盐的摩尔比为1:3:1～3:1:1，所述水热反应条件为100℃～200℃，反应2h～10h。

3.根据权利要求1所述应用于海水电解电极制备方法，其特征在于，在氩氢气环境中煅烧的反应温度为400℃～600℃，反应2h～5h。

4.根据权利要求1所述海水电解电极制备方法，其特征在于，所述海水电解电极包括阳极，所述阳极为在泡沫镍原位生长羟基氧化镍铁结构上沉积氧化石墨烯层的结构，所述阳极的制备，包括步骤：

5.根据权利要求4所述海水电解电极制备方法，其特征在于，浸渍于溶液a的时间为12h～24h，浸渍于溶液b的时间为4h～8h，沉积氧化石墨烯层的片径大小为500nm～10um。

6.根据权利要求4所述海水电解电极制备方法，其特征在于，将羟基氧化镍铁电极浸泡在氧化石墨烯水溶液中3h，氧化石墨烯水溶液的浓度为1mg l-1。

7.一种海水电解电极，所述海水电解电极包括阴极与阳极，其特征在于，所述阴极由权利要求1-3任一所述制备方法所得，所述阳极由权利要求4-6任一所述制备方法所得。

8.一种海水电解电极的应用，其特征在于，应用于电催化淡水、碱性模拟海水和碱性海水的阳极析氧反应、阴极析氢反应和全水解反应过程中。

9.一种电解海水制氢装置，其特征在于，包括权利要求7所述海水电解电极，所述海水电解电极的阴极与阳极对应作为电解海水制氢装置的阴极和阳极。

技术总结本发明涉及海水电解电极制备方法、电极及其应用、电解海水制氢装置。电极的阴极为以泡沫镍金属骨架作为载体，在泡沫镍表面原位生长钼酸镍钴/二氧化钼纳米棒结构阵列；电极的阳极为通过浸渍方法，在泡沫镍原位生长羟基氧化镍铁结构，而后沉积氧化石墨烯层形成。阴极有利于电解液和气体的快速传输，更易暴露活性位点，钼酸镍钴/二氧化钼电极作为海水电解析氢催化剂；阳极可抑制氯离子的吸附，不影响氢氧根离子和气体的传输，羟基氧化镍铁/氧化石墨烯作为海水电解析氧催化剂。所制备的电极在碱性模拟海水中具有较低的过电位，1.79V下即可驱动工业级电流密度(1000mA cm<supgt;‑2</supgt;)，此电极易制备，成本低，可作为海水电解制氢的电极。技术研发人员：蒋浩然,赵天寿,尹明明受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12