一种提升电化学反应催化性能的线圈电极及其制备方法和应用

本发明属于电催化与新能源，涉及一种提升电化学反应催化性能的线圈电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，人类正面临着诸如全球人口增加、能源需求增加、全球气候变化以及工业污染等严重问题，地球上的化石燃料储量有限且不可再生，同时化石燃料的燃烧容易导致严重的环境问题，因此合理地利用清洁无污染、可再生新能源，如风能、氢能及太阳能等，在缓解能源危机和环境问题等方面发挥着至关重要的作用。析氧反应(oer)是太阳能水分解、可充电金属-空气电池、可再生燃料电池、电解水制氢等技术的关键反应之一，然而，析氧反应作为这些重要技术的阳极半反应，涉及复杂的多电子-质子耦合步骤，需要四电子转移过程，热力学和动力学的高势垒导致其动力学非常缓慢，过电位较高，限制了整个水分解反应的速率，因而需要消耗更多的能量。贵金属催化剂如钌和铱及其氧化物据报道在电解水催化方面表现出良好的性能，但这类催化剂价格昂贵且储量有限。因此，设计、开发具有环境友好、高效、稳定且价格便宜的催化剂是推动这些技术发展的关键，其具有十分重要的战略意义。研究发现，储量丰富的过渡金属镍、铁、钴及其复合化合物催化活性较好有望成为贵金属催化剂的替代品。

2、目前针对非贵金属催化剂的改性主要是通过尺寸调控、导电材料复合、杂原子掺杂、缺陷工程等方法来增加催化剂与电解液的接触面积和活性位点的数量，从而提高催化剂的催化活性。但这些方法都是从材料本身入手，其催化机理尚不明确、性能提高有限且制备过程复杂，不利于催化剂的大规模应用。除了改善催化剂材料外，强化策略的出现如重力场、光场、电场、磁场成为电化学领域的新趋势，它可以有效改善电极表面的传质效力和推动反应动力学。近年来，研究表明外加磁场与电催化结合是一种很有前途的增强电化学性能的新策略。在电催化剂的设计中，通过施加外磁场与催化剂作用，可以推动反应的动力学，调控催化剂的电子自旋有序，影响催化剂的晶格结构，加速了氧还原过程中的四电子转移步骤，以达到降低动力学势垒的效果，从而提高催化剂的催化活性，称为“磁场增强效应”。但施加外磁场需要在电解槽外添加磁场发生装置，这会增加电催化设备的成本且长时间施加外磁场会对操作人员的身体健康带来严重危害。因此，急需一种在不施加外磁场、不需催化剂内在改性的情况下实现磁场增强效果进而调控电化学反应催化剂活性的方法。基于此，本发明提供一种提升电化学反应催化性能的线圈电极及其制备方法和应用。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种提升电化学反应催化性能的线圈电极及其制备方法和应用，主要目的是在不施加外磁场情况下实现磁场增强的效果。该方法设计的工作电极具有稳定的物理化学结构，可以广泛应用于电催化领域，催化性能优异，电极原料易得、成本低廉，电催化过程对人体无害。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，包括以下步骤：选择金属或合金作为导电材料，将所述导电材料制作成具有特定形状和匝数的线圈，然后将催化剂附着于线圈表面，得到所述提升电化学反应催化性能的线圈电极。

4、进一步的，所述金属或合金为铁、锰、铜、铝中的一种或多种。

5、进一步的，所述导电材料经过去除氧化膜、清洗、干燥等预处理操作；为了防止导电材料表面过于光滑使催化剂易于脱落，可以选择合适的化学溶液对所述导电材料进行刻蚀使其表面变得粗糙。

6、进一步的，所述将催化剂附着于线圈表面的方法包括将催化剂涂覆在线圈表面、水热法、共沉淀法或电沉积法。

7、进一步的，所述催化剂为过渡金属基催化剂，可以为铁、钴、镍及其金属合金、化合物或材料中的一种或多种；所述材料可以是磁性、顺磁性、反铁磁性或亚铁磁性等性质的材料。

8、一种提升电化学反应催化性能的线圈电极，利用上述方法制得。

9、利用上述线圈电极提升电化学反应催化性能的方法，包括：将所述线圈电极直接作为电化学反应的工作电极，对电极通电后，线圈产生的磁场作用于负载的催化剂以提升电化学反应的效率。例如将所述线圈电极作为电化学水分解反应的电极，电化学水分解反应的析氧和析氢催化效率大大提高，无需施加外磁场。

10、进一步的，能够通过改变线圈的匝数、改变线圈导电材料的种类、改变线圈的形状、改变线圈导电材料的直径、选择普通导电线圈或中空导电线圈来调整磁场的大小。进一步的，控制电流大小不变，改变缠绕导电线圈的匝数，线圈匝数越多产生的相应磁场越强，反之产生的相应磁场越弱；改变导电线圈的种类，不同种类的金属、合金等线圈所产生的磁场大小不同；同种导电线圈形状不同产生的磁场大小也不同；普通导电线圈与中空导电线圈产生的磁场大小不同。因此本发明可以像施加外磁场一样实现磁场大小可调。

11、一种所述线圈电极的应用，包括：所述线圈电极用于电催化分解水的阳极析氧反应oxygen evolution reaction(oer)、阴极析氢反应hydrogen evolution reaction(her)反应，氧还原反应oxygen reduction reaction(orr)，二氧化碳还原反应carbon dioxidereduction reaction(co2rr)，氮气还原反应nitrogen reduction reaction(n2rr)等电催化体系。

12、本发明中将线圈电极通电后所产生的磁场为内置磁场，能够调控催化反应中电子转移的自旋状态，相较于传统方法无需施加外磁场，便能实现电化学析氧、析氢等反应，极大地提高了催化反应的效率和便捷性。

13、本发明的有益效果是：

14、1.本发明以通电线圈产生的内置磁场微观调控催化剂电子自旋状态从而有效提高催化剂的电催化活性，显著提高电催化反应过程中的催化效率。

15、2.本发明的方法可以有效解决尺寸调控、形貌调控等复杂的材料制备过程及外加磁场会增加电解成本等问题，所使用的电解装置简便易得，电催化条件温和，操作方法简单，故可大规模应用。

16、3.本发明中负载在导电线圈上的催化剂与通电线圈产生的内置磁场直接相互作用，有效克服了外加磁场与催化剂的距离远近会显著影响催化剂活性的问题。此外本发明所提到的磁场为通电线圈产生的内置磁场，有效避免了外加磁场的辐射危害，有利于操作人员的身体健康。

技术特征：

1.一种提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：选择金属或合金作为导电材料，将所述导电材料制作成具有特定形状和匝数的线圈，然后将催化剂附着于线圈表面，得到所述提升电化学反应催化性能的线圈电极。

2.根据权利要求1所述的提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，其特征在于，所述金属或合金为铁、锰、铜、铝中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，其特征在于，所述将催化剂附着于线圈表面的方法包括将催化剂涂覆在线圈表面、水热法、共沉淀法或电沉积法。

4.根据权利要求1所述的提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，其特征在于，所述催化剂为过渡金属基催化剂。

5.根据权利要求4所述的提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，其特征在于，所述过渡金属基催化剂为铁、钴、镍及其金属合金、化合物或材料中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的提升电化学反应催化性能的线圈电极的制备方法，其特征在于，所述材料为磁性、顺磁性、反铁磁性或亚铁磁性性质的材料。

7.一种提升电化学反应催化性能的线圈电极，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述的方法制得。

8.利用如权利要求7所述的线圈电极提升电化学反应催化性能的方法，其特征在于，将所述线圈电极直接作为电化学反应的工作电极，对电极通电后，线圈产生的磁场作用于负载的催化剂以提升电化学反应的效率。

9.根据权利要求8所述的线圈电极提升电化学反应催化性能的方法，其特征在于，能够通过改变线圈的匝数、改变线圈导电材料的种类、改变线圈的形状、改变线圈导电材料的直径、选择普通导电线圈或中空导电线圈来调整磁场的大小。

10.如权利要求7所述的线圈电极的应用，其特征在于，所述线圈电极用于电催化分解水的阳极析氧反应、阴极析氢反应，氧还原反应，二氧化碳还原反应，或氮气还原反应。

技术总结本发明公开了一种提升电化学反应催化性能的线圈电极及其制备方法和应用，属于电催化析氧、析氢等新能源技术领域。本发明选择金属或合金材料作为导电材料制成导电线圈，然后将催化剂附着于导电线圈，得到提升电化学反应催化性能的线圈电极，将所述线圈电极作为电化学反应的工作电极，通过对工作电极施加电压，使导电线圈产生电流，形成的内置磁场直接作用于负载的催化剂，增强其电催化性能。同时本发明可以通过改变导电线圈的圈数、形状和金属种类等因素调节磁场的大小。本发明通过利用通电导电线圈产生的内置磁场直接作用于电催化剂，从而节约了设备成本，解决了设置外加磁场作用于催化剂时距离远近的问题，并避免了磁场辐射对人体的潜在危害。技术研发人员：凌敏,崔逸然,吴杰,高学会受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13