一种高性能不锈钢析氧电极及应用

本发明涉及电解水制氢，具体涉及一种高性能不锈钢析氧电极及应用。

背景技术：

1、能源作为社会经济发展的核心驱动力，正面临着严峻的挑战。随着化石燃料的日益枯竭和环境问题的日益严重，寻找一种既清洁又可持续的能源已成为当务之急。氢能作为一种清洁、高效的新能源，被寄予厚望。然而，实现氢能的大规模应用，需要解决如何高效、环保地制备氢气的问题。电解水作为一种纯净无污染的制氢方法，被视为理想的解决方案。水分解反应包括发生在阴极上的析氢反应(her)和阳极上的析氧反应(oer)。

2、然而，析氧反应的缓慢动力学过程使得电解水制氢需要较高的过电位，导致电能消耗较大。性能优异的oer催化剂可以降低电解水制氢的成本，提高电解水制氢的效率。虽然贵金属如iro2和ruo2是最目前最有效的oer催化剂，但其高昂的价格和稀缺性限制了电解水制氢技术的工业应用。因此，设计和开发非贵金属催化剂显得尤为重要。

3、近年来，现有技术已经开发了多种非贵金属催化剂，如过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、硼化物、碳化物、氮化物及其复合物等。这些催化剂在实验室条件下表现出一定的催化活性，但它们在电解过程中容易受到电流冲击或氧气泡演化的影响而脱落，导致催化活性降低。除此之外，这些催化剂的制备工艺复杂、成本高昂，不利于工业化应用。采用导电性能优异和廉价的不锈钢作为阳极催化剂，不仅能降低成本，还能消除阳极电极与双极板之间的电位差，从而提高碱性电解槽的稳定性和使用寿命。然而，不锈钢直接作为催化剂时，其催化性能往往不理想，因此需要进行表面修饰，例如氧化、氮化、硫化和磷化等处理，这不仅增加了不锈钢的处理成本，同时还存在表面修饰容易脱落、修饰工艺较为复杂等问题。现有技术采用一步阳极氧化法制备的不锈钢催化剂能够在大电流密度下(570ma/cm2)表现出超长的稳定性。然而，其较高的过电位难以满足工业碱性电解水的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种高性能不锈钢析氧电极及应用，以解决现有技术中不锈钢用于电解水催化时需要进行表面修饰、过电位较高、难以满足工业碱性电解水需求的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种高性能不锈钢析氧电极，所述电极通过如下步骤制备获得：

4、步骤1：对不锈钢表面进行预处理，去除其表面的杂质；

5、步骤2：将步骤1处理后的不锈钢置于氯化物溶液中，采用恒电流密度法，将不锈钢作为阳极进行阳极腐蚀2～5min，随后对不锈钢进行清洗干燥，得到阳极腐蚀不锈钢电极；其中，氯化物溶液中氯化物的浓度为3～5wt％，阳极腐蚀时电流密度为300～500ma/cm2；

6、步骤3：将步骤2处理后的不锈钢电极置于碱溶液中，将不锈钢作为阳极进行电解，得到所述不锈钢析氧电极；其中，碱溶液中碱的浓度为1～2mol/l，电解时的电流密度为400～600ma/cm2，电解时间为1～3h。

7、优选地，按照重量百分比计算，所述不锈钢中cr的含量＞5％，ni的含量＞5％。

8、按照重量百分比计算，所述不锈钢包括如下组分：16～18％的cr、10～14％的ni、2～3％的si、0～2％的mn，余量为fe。

9、优选地，在步骤1中，对不锈钢用稀硫酸进行酸洗，稀硫酸浓度为1～2mol/l，酸洗时间为10～20min。

10、优选地，在步骤2中，所述氯化物包括nacl、kcl其中一种或者两种混合。

11、优选地，在步骤3中，所述碱为koh、naoh中的一种或者两种混合。

12、本发明还提供了一种高性能不锈钢析氧电极的应用，上述高性能不锈钢析氧电极用于电解水析氧。

13、优选地，所述不锈钢析氧电极在电解水过程中作为阳极进行析氧。

14、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

15、1、本发明所述不锈钢析氧电极是不锈钢经过两步电解后制备得到的，通过耦合阳极腐蚀和结构重建两步电解法，先改善了不锈钢电极的电子特性和表面结构，再通过结构重建进一步增加了不锈钢电极的比表面积和孔隙率，同时提高了电子的传导率，最终诱导不锈钢电极的oer反应机制由aem转变为催化活性更高的lom，大幅降低了oer反应过电位，这些改进赋予了不锈钢析氧电极更好的导电性，增强了电化学活性面积以及电催化性能，使其在电解水制氢这一过程中表现出优异的综合性能。

16、2、本发明所述不锈钢析氧电极的制备方法流程简洁，反应条件温和，生产效率高，整个反应过程容易控制，并且能耗低，大大降低了生产成本，易于实现工业化生产。

技术特征：

1.一种高性能不锈钢析氧电极，其特征在于，所述电极通过如下步骤制备获得：

2.根据权利要求1所述高性能不锈钢析氧电极，其特征在于，按照重量百分比计算，所述不锈钢中cr的含量＞5％，ni的含量＞5％。

3.根据权利要求2所述高性能不锈钢析氧电极，其特征在于，按照重量百分比计算，所述不锈钢包括如下组分：16～18％的cr、10～14％的ni、2～3％的si、0～2％的mn，余量为fe。

4.根据权利要求1所述高性能不锈钢析氧电极，其特征在于，在步骤1中，对不锈钢用稀硫酸进行酸洗，稀硫酸浓度为1～2mol/l，酸洗时间为10～20min。

5.根据权利要求1所述高性能不锈钢析氧电极，其特征在于，在步骤2中，所述氯化物包括nacl、kcl其中一种或者两种混合。

6.根据权利要求1所述高性能不锈钢析氧电极，其特征在于，在步骤3中，所述碱为koh、naoh中的一种或者两种。

7.一种高性能不锈钢析氧电极的应用，其特征在于，权利要求1～6任意所述高性能不锈钢析氧电极用于电解水析氧。

8.根据权利要求7所述高性能不锈钢析氧电极的应用，其特征在于，所述不锈钢析氧电极在电解水过程中作为阳极进行析氧。

技术总结本发明公开了一种高性能不锈钢析氧电极及应用，所述电极通过如下步骤制备获得：步骤1：对不锈钢表面进行预处理，去除其表面的杂质；步骤2：将步骤1处理后的不锈钢置于氯化物溶液中，采用恒电流密度法，将不锈钢作为阳极进行阳极腐蚀2～5min，随后对不锈钢进行清洗干燥，得到阳极腐蚀不锈钢电极；其中，氯化物溶液中氯化物的浓度为3～5wt％，阳极腐蚀时电流密度为300～500mA/cm<supgt;2</supgt;；步骤3：将步骤2处理后的不锈钢电极置于碱溶液中，将不锈钢作为阳极进行电解，得到所述不锈钢析氧电极；其中，碱溶液中碱的浓度为1～2mol/L，电解时的电流密度为400～600mA/cm<supgt;2</supgt;，电解时间为1～3h。技术研发人员：党杰,侯承真,侯勇,游洋,吕学伟受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5