电解水的催化电极及其制备方法、电解水装置与流程

本发明属于电解水，具体而言，涉及一种电解水的催化电极及其制备方法、电解水装置。

背景技术：

1、随着工业化和城市化进程的加快，化石能源过度使用造成了严重的能源危机和环境问题。

2、氢气因为具有燃烧热值高、反应产物无污染等特点，被认为是未来的理想能源载体，为此受到了广泛研究。由于电解水过程制氢能够与太阳能、风能等其他可再生能源耦合，是最有可能实现氢能经济的制氢技术。电化学水分解生成h2和o2采用析氢反应(her)和析氧反应(oer)两个半电池反应，同时需要两种电催化剂降低过电位。阳极和阴极上oer和her的缓慢动力学仍然是水电解的瓶颈。因此，高稳定性、高活性的催化电极是推动电解水制氢技术发展亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电解水的催化电极及其制备方法、电解水装置，本技术提供的电解水催化电极具有较好高的电催化性能和良好的稳定性。

2、在本发明的第一个方面，本发明提出了一种电解水的催化电极，根据本发明的实施例，所述催化电极包括集流体，第一催化剂层和第二催化剂层，所述第一催化剂层设于所述集流体的至少一侧，所述第一催化剂层包括过渡金属磷化物；所述第二催化剂层设于所述第一催化剂层远离所述集流体的一侧，所述第二催化剂层包括锆掺杂的层状双金属氢氧化物。

3、根据本发明上述实施例的电解水的催化电极，其包括集流体、第一催化剂层和第二催化剂层，并且第一催化剂层和第二催化剂层依次形成在集流体上，同时采用过渡金属磷化物形成第一催化剂层，采用锆掺杂的层状双金属氢氧化物形成第二催化剂层，即锆掺杂的层状双金属氢氧化物覆盖在过渡金属磷化物远离集流体的一侧，使得锆掺杂的层状双金属氢氧化物与过渡金属磷化物之间的交界处能够形成异质结结构，该结构可以促进电子和空穴的产生，进而能够加速电解水的过程。过渡金属磷化物能够提供活性中心，促进水分子在催化电极表面的吸附和分解，具有较好的析氢反应活性。层状双金属氢氧化物的层状结构和丰富的活性位点能够有效地吸附和活化水分子，促进电解水反应的发生，具有较好的析氧反应活性。通过锆元素的掺杂，一方面，可以与层状双金属氢氧化物及异质结中的其它元素发生相互作用，形成稳定的界面层，增强了过渡金属磷化物和锆掺杂的层状双金属氢氧化物之间的协同作用，促进电荷有效传输，提高电解水反应的电荷传输性能和反应速度。另一方面，锆元素还具有较高的化学稳定性和耐腐蚀性，能够保护电解水催化电极免受环境因素的影响，从而能够提高电解水催化电极的稳定性。由此，本技术提供的电解水的催化电极具有较好电解水催化活性和稳定性。

4、根据本发明上述实施例的电解水的催化电极可以具有如下附加技术特征：

5、在本发明的一些实施例中，所述过渡金属磷化物包括镍钴磷化物、铁钴磷化物和锰钴磷化物中的至少一种。

6、在本发明的一些实施例中，所述所述锆掺杂的层状双金属氢氧化物包括锆掺杂的镍铁基层状双金属氢氧化物、镍钴基层状双金属氢氧化物和钛镍基层状双金属氢氧化物中的至少一种。

7、在本发明的一些实施例中，所述集流体包括泡沫镍、镍网、镍片、泡沫铁、铁网和铁片中的至少一种。

8、在本发明的第二个方面，本技术提出了一种制备上述电解水的催化电极的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：s1、在集流体的至少一侧制备包括过渡金属磷化物的第一催化剂层；s2、在所述第一催化剂层远离所述集流体的一侧制备包括锆掺杂的层状双金属氢氧化物的第二催化剂层，得到电解水的催化电极。由此，能够得到具有较好的电解水催化活性和稳定性的电解水的催化电极。

9、在本发明的一些实施例中，步骤s1包括：将第一可溶性金属盐、配位剂、第一碱性缓冲剂和水混合，得到第一混合溶液；将集流体置于所述第一混合溶液中，进行第一次水热反应，以在所述集流体的至少一侧形成双金属氢氧化物；在惰性气氛下，将含有双金属氢氧化物的集流体进行磷化反应，以在所述集流体的至少一侧形成过渡金属磷化物，得到第一催化剂层。由此，通过采用过渡金属磷化物在集流体的至少一侧形成第一催化剂层，过渡金属磷化物能够提供活性中心，促进水分子在催化电极表面的吸附和分解，具有较好的析氢反应活性。

10、在本发明的一些实施例中，所述第一可溶性金属盐包括可溶性钴盐和第一可溶性镍盐，基于所述第一混合溶液的总体积，所述可溶性钴盐的摩尔浓度为1mmol/l-10mmol/l。由此，可以控制反应的速度和程度，能够得到纯度较高的过渡金属磷化物，进而有利于提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

11、在本发明的一些实施例中，所述可溶性金属盐包括可溶性钴盐和第一可溶性镍盐，基于所述第一混合溶液的总体积，所述第一可溶性镍盐的摩尔浓度为0.5mmol/l-5mmol/l。由此，可以控制反应的速度和程度，能够得到纯度较高的过渡金属磷化物，进而有利于提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

12、在本发明的一些实施例中，基于所述第一混合溶液的总体积，所述配位剂的摩尔浓度为n，所述可溶性钴盐的摩尔浓度为b，所述第一可溶性镍盐的摩尔浓度为c，其中，1≤n/(b+c)≤3。由此，可以与金属离子形成稳定的配位络合物，从而降低金属离子的活性，使其更容易发生磷化反应，促进反应的进行并控制材料的生长过程，有利于得到形貌较好的过渡金属磷化物，进而能够提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

13、在本发明的一些实施例中，基于所述第一混合溶液的总体积，所述第一碱性缓冲剂的摩尔浓度为m，所述可溶性钴盐的摩尔浓度为b，所述第一可溶性镍盐的摩尔浓度为c，其中，2≤m/(b+c)≤10。由此，可以调控反应溶液的ph，促进反应的进行并控制材料的生长过程，有利于得到形貌较好的过渡金属磷化物，进而能够提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

14、在本发明的一些实施例中，所述可溶性钴盐包括氯化钴和硝酸钴中的至少一种。

15、在本发明的一些实施例中，所述第一可溶性镍盐包括氯化镍和硝酸镍中的至少一种。

16、在本发明的一些实施例中，所述配位剂包括氟化铵。

17、在本发明的一些实施例中，所述第一碱性缓冲剂包括尿素。

18、在本发明的一些实施例中，步骤s2包括：将可溶性锆盐、第二可溶性金属盐、第二碱性缓冲剂和水混合，得到第二混合溶液；将含有过渡金属磷化物的集流体置于所述第二混合溶液中，进行第二次水热反应，以在过渡金属磷化物远离集流体的一侧形成锆掺杂的层状双金属氢氧化物，得到第二层催化剂层。由此，能够得到具有较好的电解水催化活性和稳定性的电解水的催化电极。

19、在本发明的一些实施例中，基于所述第二混合溶液的总体积，所述可溶性锆盐的摩尔浓度为0.15mmol/l-5mmol/l。由此，能够提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

20、在本发明的一些实施例中，所述第二可溶性金属盐包括可溶性铁盐和第二可溶性镍盐，基于所述第二混合溶液的总体积，所述可溶性铁盐的摩尔浓度为0.25mmol/l-5mmol/l。由此，可以促进形成结晶度高、形貌规整的锆掺杂的层状双金属氢氧化物，进而有利于提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

21、在本发明的一些实施例中，所述第二可溶性金属盐包括可溶性铁盐和第二可溶性镍盐，基于所述第二混合溶液的总体积，所述第二可溶性镍盐的摩尔浓度为0.75mmol/l-15mmol/l。由此，可以促进形成结晶度高、形貌规整的锆掺杂的层状双金属氢氧化物，进而有利于提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

22、在本发明的一些实施例中，基于所述第二混合溶液的总体积，所述第二碱性缓冲剂的摩尔浓度为f，所述可溶性锆盐的摩尔浓度为a，所述可溶性铁盐的摩尔浓度为b，所述第二可溶性镍盐的摩尔浓度为c，其中，1≤f/(a+b+c)≤3。由此，可以调控反应溶液的ph，促进水热反应的进行并控制材料的生长过程，有利于得到形貌较好的锆掺杂的层状双金属氢氧化物，进而能够提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

23、在本发明的一些实施例中，所述可溶性锆盐包括四氯化锆和硝酸锆中的至少一种。

24、在本发明的一些实施例中，所述可溶性铁盐包括硝酸铁和氯化铁中的至少一种。

25、在本发明的一些实施例中，所述第二可溶性镍盐包括氯化镍和硝酸镍中的至少一种。

26、在本发明的一些实施例中，所述第二碱性缓冲剂包括尿素。

27、在本发明的一些实施例中，所述第二次水热反应的温度为100℃-150℃。由此，可以控制锆掺杂的层状双金属氢氧化物的生长，可以获得结晶度高、形貌规整的锆掺杂的层状双金属氢氧化物，进而有利于提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

28、在本发明的一些实施例中，第二次水热反应的时间为8h-12h。由此，可以控制锆掺杂的层状双金属氢氧化物的生长，可以获得结晶度高、形貌规整的锆掺杂的层状双金属氢氧化物，进而有利于提高电解水催化电极的催化活性和稳定性。

29、在本发明的第三个方面，本发明提出了一种电解水的装置。根据本发明的实施例，该电解水的装置包括上述的电解水的催化电极或采用上述的方法制备得到的电解水的催化电极。由此，与现有技术相比，锆掺杂的层状双金属氢氧化物提高催化电极稳定性，进而提升电解水装置运行稳定性，促进催化电极市场升级换代。

30、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例进行说明。