一种电解水阳极催化剂的生产工艺及系统的制作方法

本发明属于电催化领域，具体涉及一种电解水阳极催化剂的生产工艺及系统。

背景技术：

1、水电解制氢技术通常可分为碱性水电解(akl)、质子交换膜水电解(pem)、阴离子交换膜水电解(aem)及固体氧化物水电解(soec)四种，其中，aem电解槽因其低成本和高效率的制氢优势，被寄望能推动电解水制氢的规模化发展。尽管如此析氧阳极反应多电子转移反应造成的缓慢的动力学和较高过电位，此外，所使用的贵金属电极(铱、钌、铂等)具有成本高和稳定性差等特点，制约了水电解制氢生产规模化。(q.gao et al.structuraldesign and electronic modulation of transition-metal-carbide electrocatalyststoward efficient hydrogen evolution[j].advanced materials,2019,31(2).)有鉴于此，当前水电解领域的热点研究集中在设计和开发具有高效率、低成本的析氧阳极工艺，同时要求工艺易于批量生产，以突破上述限制，推动水电解制氢技术的规模化应用。

2、铁、钴、镍基过渡族金属氧化物(tmos)，不仅在碱性条件下拥有高效析氧活，还具有高储量、低成本等特点，尤其是nife基催化剂，有望成为取代贵金属析氧电极的优异催化材料。当前，nife析氧电极一般由共沉淀法、水热合成法、电化学沉积法等方法制备。邓远名等人(cn109701540a)通过原位共沉淀反应获得nife析氧催化剂。周学成等人(cn113957471a)通过水热法制备了纳米片堆叠结构的镍铁双层氢氧化物，在电流密度为10ma·cm-2处的过电位为327mv。邓晨等人(cn 117019044a)采用液态阴极等离子体电解法对镍铁材料进行电沉积处理，该电极在1m的koh溶液，电流密度为10ma·cm-2时，析氧过电位为231mv。此外，葛升等人(葛升,等人.一步电沉积制备高活性高稳定镍铁合金析氧电催化剂[j].化学工业与工程,2022,39(2):41-49.)利用电沉积技术制备出具有多空结构的镍铁合金,当电流密度为10ma·cm-2时的过电位仅为210mv，tafel斜率为35mv·dec-1。

3、此外，通常利用形貌调控、电子结构调控、表界面调控等方式改善催化剂表面吸附、优化电子结构、提高电荷传输，以提高nife材料的本征催化活性。(wan y,etal.rational design of efficient electrocatalysts for hydrogen production bywater electrolysis at high current density[j].materials chemistry frontiers,2023,7(23):6035-6060.)li等人(shao l,et al.in situ generation of molybdate-modulated nickel-iron oxide electrodes with high corrosion resistance forefficient seawater electrolysis[j].advanced energy materials,2024,14(4):2303261.)利用热冲击发制备了钼酸根(moo42-)修饰的镍铁氧化物(nimofe/nm)，moo42-的表面修饰不仅有助于降低oer的势垒，还由利于放置cl-的腐蚀，从而延长催化剂的寿命。lin等人(lin x,et al.two birds with one stone:contemporaneously boosting oeractivity and kinetics for layered double hydroxide inspired by photosystemⅱ[j].advanced functional materials,2022,2202072.)将锂离子和羧酸盐掺杂至nifeldh中得到nfcl(70)-ldh，利用羧酸基团稳定高价态活性中心，并通过电子质子协同转移加速动力学过程，在工业条件(60℃，6m koh水溶液)，在槽压围殴1.8v时，电流密度可达1a·cm-2，并在30天稳定运行后，性能只衰减2％。近日，yu等人(yu q,chen y,liu j etal.mxene-mediated reconfiguration induces robust nickel–iron catalysts forindustrial-grade water oxidation[j].proceedings of the national academy ofsciences,2024,121(9):e2319894121.)通过mxene介导的重构策略，抑制水解过程中fe的析出，所制备的nifeoxhy/mxene催化剂不仅优化了碱性水氧反应的动力，还增强了过渡金属的耐氧化能力。在307mv低过电位下，该材料即可达到1000ma·cm-2的电流密度，同时稳定性超过1000h。

4、研究表明，虽然，在碱性条件中，高析氧活性nife材料的相关研究也已取得重大进展；但是，面向低成本、活性高、产量大的工艺及易于操作的制备系统仍鲜有报道。

技术实现思路

1、针对上述析氧阳极催化材料制备技术中存在的问题，本发明提出一种电解水阳极催化剂的生产工艺及系统，生产工艺涉及原料的反应过程、分离过程、干燥过程、研磨过程和热处理过程。生产系统包括催化剂合成单元、研磨单元和热处理单元。其特征优势有：(1)所制备析氧阳极催化剂为非贵金属复合材料，成本低；(2)优化金属盐溶液与还原性溶液的添加顺序、还原性溶液温度等条件，实现对催化剂活性和稳定性的精准调控；(3)与传统制备工艺相比，该工艺制备的粉体材料产量高，在碱性介质中具有较高的oer活性，可实现大面积oer电极的刷涂，有利于电解水工业化的实现。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种电解水阳极催化剂的生产工艺，包括如下步骤：

4、(1)金属盐溶液与还原剂的反应过程：将的镍金属盐、铁金属盐和第三组元m的金属盐溶解于去离子水中，配置为溶液a；将还原剂溶解于混合溶剂中，配置为溶液b；其中溶液a或溶液b先放置反应釜中进行搅拌处理，待升到反应温度后，将另一溶液缓慢滴加于反应釜中，经恒温搅拌，形成混合溶液。

5、(2)混合溶液的分离过程：将步骤(1)中获得的混合溶液转移到分离器中进行分离，获得固体产物；

6、(3)固体产物的干燥过程：将步骤(2)中获得的固体产物进行干燥处理，待冷却至室温，形成催化剂半成品；

7、(4)催化剂半成品的研磨过程：将步骤(3)中获得的产物进行研磨，得到高分散颗粒粒度粉体催化剂；

8、(5)粉体催化剂的热处理过程：向步骤(4)中获得的产物进行热处理，待冷却至室温，得到电解水阳极催化剂。

9、进一步的，所述的电解水阳极催化剂为nife复合物或nifem复合物，其中m可为钼、锰、钴、钨、磷、硼中的一种或两种以上混合。

10、进一步的，所述步骤(1)中，镍金属盐在溶液a中的摩尔浓度为0.025～0.2mol·l-1，铁金属盐在溶液a的摩尔浓度0.025～0.2mol·l-1，第三组元m的金属盐在溶液a的摩尔浓度为0～0.01mol·l-1；还原剂在溶液b的摩尔浓度为0.01～1mol·l-1。溶液b加入溶液a中时，镍金属盐与还原剂的摩尔比为1：(1～4)。

11、进一步的，所述步骤(1)中，还原剂为硼氢化物、水合肼、抗坏血酸中的一种或两种以上混合。

12、进一步的，所述步骤(1)中，溶液b所使用的混合溶剂为去离子水、乙二醇中的一种或两种混合。

13、进一步的，所述步骤(1)中，溶液b使用乙二醇和水的混合溶液时，乙二醇和去离子水的比例为(1-3)：(1-3)。

14、进一步的，所述步骤(1)中，溶液b的滴加速度为10ml·min-1～20ml·s-1。

15、进一步的，所述步骤(1)中，若滴加顺序为溶液b滴加到溶液a中，则溶液b配置时的温度为0℃～110℃。

16、进一步的，所述步骤(1)中，反应温度为80～120℃，搅拌速度为300～600转/分。

17、进一步的，所述步骤(3)中，干燥温度为60～100℃，时间为6～24小时。

18、进一步的，所述步骤(4)中，采用球磨机进行研磨，球磨机的转速为100～400转/分。

19、进一步的，所述步骤(5)中，热处理温度为200℃～500℃，时间为1～2h。

20、一种电解水阳极催化剂的生产系统，包括催化剂合成单元、催化剂研磨单元和催化剂热处理单元。

21、所述的催化剂合成单元，包括反应釜、分离器和干燥箱，用于实现反应过程、分离过程和干燥过程；所述的反应釜的出口与分离器的入口相连，分离器的出口与干燥箱的入口相连，原料经反应釜反应、分离器分离和烘箱干燥后，从干燥箱的出口得到催化剂半成品；所述的分离器为正压过滤器过滤或离心机；所述的干燥箱为真空干燥烘箱或鼓风干燥烘箱。

22、所述的催化剂研磨单元，采用球磨机，将催化剂半成品在球磨机内进行球磨，研磨后获得高分散颗粒粒度催化剂粉体。

23、所述的催化剂热处理单元，采用管式炉或烘箱，将研磨后的催化剂粉体在管式炉或烘箱中热处理内，在惰性气氛中经程序升温后，获得质量大的电解水阳极催化剂成品。

24、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

25、(1)本工艺制备的析氧阳极材料为nife复合材料，相教于pt、iro2、ruo2等贵金属电极材料，原料价格低廉。

26、(2)电催化剂制备工艺简单易控、系统简洁明了；所制备的催化剂质量大，重复性好，能满足工业生产的要求。

27、(3)本工艺制备的析氧阳极材料通过优化溶液a中ni、fe比、溶液b中乙二醇、水比、金属盐溶液与还原性溶液的添加顺序等条件可提高析氧催化性能：在h型电解池中，1mol·l-1的koh碱性电解质下，当电流密度为500ma·cm-2时，析氧过电位为273mv；在膜电极中，在500ma·cm-2的电流密度下，电压维持在1.9v左右，稳定性超过1000h。