一种电解制氢高性能催化OER阳极及其制备方法和应用与流程

本申请属于制氢，更具体地说，是涉及一种电解制氢高性能催化oer阳极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢能由于具有清洁无污染、可长期存储、应用场景丰富等优点，在世界能源转型中发挥重要作用。氢能技术通过电解水制氢，将电能转化为氢能储存起来的储能方式，包括电解水制氢、储氢两个环节，其中电解水制氢实现电氢转换是氢能的基础。电解槽是电解水制氢系统最为核心的设备，现阶段主要有3种电解槽：碱性水电解(alkaline waterelectrolysis，awe)电解槽、质子交换膜(proton exchange membrane，pem)电解槽和固体氧化物(solid oxide electrolyser cell，soec)电解槽。考虑到成本和可靠性等因素，大规模制氢在一段时间内仍以碱性电解槽为主。awe因工艺成熟、设备成本低且产氢规模大，成为当前最适宜于工业化的制氢技术，并已在国内得到广泛推广应用，然而与其他两种方式相比，awe的电流密度较小、制氢效率偏低，这限制了awe的进一步大规模工业化应用。

2、为提高awe的电流密度与制氢效率，众多研究从结构设计及材料研发两个方面进行突破，经过多年的工业应用与优化，awe结构已经相对成熟，因此催化材料的研发成为提高awe性能的主要途径，包括析氢催化材料与析氧催化材料，其目的是尽可能降低水电解过程中阴极析氢反应(hydrogen evolution reaction，her)和阳极析氧反应(oxygenevolution reaction，oer)的过电位，增加电解水制氢的效率，降低电能消耗。结合实际的水分解过程，水分解所需要的实际电压往往大于理论电压。这是因为除了水分解所需的基本理论电压以外，电极极化、浓差极化以及各组件之间的接触电阻等一系列因素都会增大分解过程的反应能垒，导致需消耗更大的电压来克服能垒。

3、u＝eθ+ηa+ηc+σir   (1)

4、式中，u-电解水所需的实际电压；eθ-电解水发生反应所需的理论电压1.23v；ηa-阳极析氧反应过电位；ηc-阴极析氢反应过电位；σir-电解池欧姆压降。进一步分析表明her为两电子转移步骤，oer为四电子转移步骤，与her相比，oer过电位更难降低，对awe性能提升的制约也更为明显。因此，开发高效oer催化材料是提高awe效率的主攻方向。

5、经过多年研发，oer催化材料已发展出贵金属ru和ir及其氧化物，还包含金属氧化物以及层状双氢氧化物(layered double hydroxides，ldh)两种成熟的催化材料体系，其中金属氧化物催化材料又包括钙钛矿结构与尖晶石结构两类。除上述oer催化材料体系外，

6、研究人员近年来又开发出了金属氢氧化物、金属单原子催化材料和高熵硫化物等新结构的oer催化材料。尽管对高性能oer催化材料的研究已有很多，但由于其制备方式大都采用水化学的方式，所制备oer催化材料与导电基体材料结合强度低、接触电阻大，难以满足工业化需求，到目前为止国内外大规模使用的工业碱性水电解槽以传统的泡沫镍或镍网作为阳极，其oer过电位依然很高。

7、如何获得以碱性电解水制氢工业化应用所需的高性能催化电极，特别是以awe为代表的制氢系统高性能阳极，将为降低绿氢生产成本及促进氢能的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题为：如何提高碱性电解水制氢工业化所需oer阳极的催化性能。

2、第一目的，本发明提供一种电解制氢高性能催化oer阳极，包括导电基体，所述导电基体上通过等离子体镀膜方式沉积有oer催化材料；所述oer催化材料形成的涂层的厚度大于0.1微米。

3、作为一种可能的设计，所述oer催化材料包括ruo2、iro2、钙钛矿型、尖晶石型氧化物、金属磷酸盐、过渡金属硼化物、过渡金属硫化物以及碳基类非氧化物催化剂材料。

4、作为一种可能的设计，所述导电基体包括泡沫镍或多孔金属材料。

5、作为一种可能的设计，所述等离子体镀膜方式为物理气相沉积技术。

6、作为一种可能的设计，所述物理气相沉积技术为磁控溅射镀膜。

7、第二目的，本发明提供一种电解制氢高性能催化oer阳极的制备方法，包括：

8、将清洗后的导电基体安装于真空室内工件挂装机构上；

9、将真空室抽真空至真空度小于3×10-3pa；

10、向真空室内通入工作气体且控制真空室的真空度为2×10-1pa，后进行等离子体刻蚀清洗；

11、继续向真空室内通入工作气体且控制真空室的真空度为3×10-1pa，进行磁控溅射，溅射时间不少于1小时；

12、溅射结束后向真空室放气，后取出催化oer阳极。

13、作为一种可能的设计，所述工作气体为氩气。

14、作为一种可能的设计，所述等离子体刻蚀清洗的方式为辉光放电模式或霍尔放电模式，时间≥30分钟。

15、作为一种可能的设计，所述磁控溅射的方式为射频磁控溅射或脉冲磁控溅射。

16、本发明的有益效果为：

17、oer阳极是采用等离子体镀膜物理气相沉积制备，催化涂层材料具有高结合强度(大于1mpa)和一定厚度(大于0.1微米)，且几何位形和电子结构可控，催化活性和催化效率进一步提升；另外本发明催化阳极将oer催化材料采用沉积于多孔导电基体材料表面，具有增大有效电解面积、提高制氢效率、增加电流密度等显著效果；最为关键的是可进行大尺寸制备，且能够实现在大规模工业制氢系统中的长周期稳定运行。本发明公开的oer阳极可应用于碱性水电解制氢且作为阳极。

技术特征：

1.一种电解制氢高性能催化oer阳极，其特征在于，包括导电基体，所述导电基体上通过等离子体镀膜方式沉积有oer催化材料；所述oer催化材料形成的涂层的厚度大于0.1微米。

2.根据权利要求1所述的电解制氢高性能催化oer阳极，其特征在于，所述oer催化材料包括ruo2、iro2、钙钛矿型、尖晶石型氧化物、金属磷酸盐、过渡金属硼化物、过渡金属硫化物以及碳基类非氧化物催化剂材料。

3.根据权利要求1所述的电解制氢高性能催化oer阳极，其特征在于，所述导电基体包括泡沫镍或多孔金属材料。

4.根据权利要求1所述的电解制氢高性能催化oer阳极，其特征在于，所述等离子体镀膜方式为物理气相沉积技术。

5.根据权利要求4所述的电解制氢高性能催化oer阳极，其特征在于，所述物理气相沉积技术为磁控溅射镀膜。

6.一种权利要求1-5任一项所述电解制氢高性能催化oer阳极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

7.根据权利要求6所述的电解制氢高性能催化oer阳极的制备方法，其特征在于，所述工作气体为氩气。

8.根据权利要求6所述的电解制氢高性能催化oer阳极的制备方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀清洗的方式为辉光放电模式或霍尔放电模式，时间≥30分钟。

9.根据权利要求6所述的电解制氢高性能催化oer阳极的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的方式为射频磁控溅射或脉冲磁控溅射。

10.一种权利要求1-5任一项所述电解制氢高性能催化oer阳极或权利要求6-9任一项所述制备方法得到电解制氢高性能催化oer阳极在碱性水电解中作为阳极的应用。

技术总结本申请提供了一种电解制氢高性能催化OER阳极及其制备方法和应用，电解制氢高性能催化OER阳极包括导电基体，所述导电基体上通过等离子体镀膜方式沉积有OER催化材料；所述OER催化材料形成的涂层的厚度大于0.1微米。催化涂层材料具有大于1MPa和大于0.1微米，且几何位形和电子结构可控，催化活性和催化效率进一步提升；另外本发明催化阳极将OER催化材料采用沉积于多孔导电基体材料表面，具有增大有效电解面积、提高制氢效率、增加电流密度等显著效果；最为关键的是可进行大尺寸制备，且能够实现在大规模工业制氢系统中的长周期稳定运行。本发明公开的OER阳极可应用于碱性水电解制氢且作为阳极。技术研发人员：金凡亚,但敏,张珂嘉,张虹,黄熠,唐国庆,杨彪受保护的技术使用者：核工业西南物理研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/11