一种通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法

本发明涉及一种在电解水过程中通过转换电极诱导电极自激活提高碱性电解槽稳定性的方法。

背景技术：

1、氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展和应对气候变化的重要抓手。随着全球新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，氢能等新兴能源技术以前所未有的速度加快迭代。电解水制氢是一种绿色环保、生产灵活的制氢技术，其产品纯度高，技术相对成熟，并且可利用光伏发电、风电等可再生能源实现氢气的大规模制备。其中碱性电解槽电解水制氢由于技术路线成熟、成本低、电解槽搭建简单等优势发展较为迅速，已经被多家大型企业大规模工业化应用。但在实际运行过程中，长时间的高电流密度和高浓度碱性电解液所带来的强腐蚀性环境，使得电极的材料和结构由于电化学氧化还原和化学反应发生改变导致稳定性下降以及性能的衰退，不利于电解槽的长期使用。

2、因此，在具体设计电极过程中不仅要考虑电极初始状态下的电解水性能即过电位和塔菲尔斜率，稳定性也是一个关键点。目前，过渡金属材料(ni,co,fe,mo等)由于其低成本、高催化性能以及在自然界中相对稳定的存在，已被证实作为双功能电解水电极有很大的应用前景。许多研究者致力于开发提高电极催化稳定性的策略，例如对过渡金属材料进行硫化、磷化、电沉积、合金化等改性，或通过对基底掺杂稳定元素使电极物相结构更加稳定，这在一定程度上可以提高其电化学稳定性。另一方面，一些研究人员也发现，对这些过渡金属材料进行多孔化处理，如通过脱合金法，高温气体氧化还原法形成纳米多孔金属，可以显著增加这些电极的比表面积，抑制气泡冲刷效应，最终提高稳定性。可以看到在传统意义上，电解水电极的稳定性总是通过改变电极的物相和微观结构的设计来提高的。但这些方法除了制备样品前驱体工艺复杂外，还需要引入二相材料或者在高温高腐蚀条件下处理，例如脱合金工艺不仅引入合金前驱体，还要使用强酸或者强碱溶液，且制备成的电极机械性能较差，成本偏高。所以寻找一种有效、简单、成本较低、易操作且在电解槽实际使用过程中可以直接应用的提高稳定性的方法具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提高碱性电解槽电解水制氢的稳定性，现有改善稳定性的方法主要聚焦于改变电极物相和微观结构，这些方法有设计工艺复杂，成本较高，污染环境，不适用于大规模应用等一系列问题。基于这些问题本发明提出了一种简单、高效、可行性高的转换电极的方法，这种方法通过交换电流正负极电解环境原位诱导电极自激活提高碱性电解槽电化学稳定性。

2、本发明通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法按照下列步骤实现：

3、一、以过渡金属或过渡合金材料作为电解水电极；

4、二、以浓度为0.01～6mol l-1的碱性溶液作为电解液；

5、三、组装碱性电解槽装置，阳极板与直流电源的正极相连，阴极板与直流电源的负极相连，进行电解水制氢；

6、四、在电解水制氢过程中，不断交换连接电解槽电流正负极的导线，即将原阳极板与直流电源的负极相连，原阴极板与直流电源的正极相连，反复对电极正负极进行接线转换，从而提高了碱性电解槽的稳定性。

7、本发明碱性电解槽中当以过渡金属材料作为电解水电极时，在碱性环境，特别是阳极高电位析氧反应过程中，会发生自发重构形成过渡金属羟基氧化物，而这些羟基氧化物是其作为阳极参与析氧反应催化中的主要成分。而在电极转换后，这些形成的羟基氧化物会参与到阴极析氢反应过程中，在这个过程中这些羟基氧化物会在低电位还原条件下发生还原反应，自发形成带有氧空位的羟基氧化物，本发明研究表明这些形成的氧空位可显著增强羟基氧化物电解水析氧反应催化活性。因此每一次电极转换过程中，这些阳极反应中形成的羟基氧化物转换到阴极后，都因氧空位的形成发生一次自激活过程，提高电极性能，进而达到了提高电解槽稳定性的目的。

8、本发明在电解水过程中通过转换电极诱导电极自激活提高碱性电解槽稳定性的方法和现有技术相比，具有以下有益效果：

9、1、本发明突破了传统的主要通过电极材料修饰和改性提升电解水稳定性的思路，直接利用商业化过渡金属材料(网/泡沫/箔等)作为电极，而是通过工作电极转换实现电解槽稳定性提高；

10、2、仅需在电解槽运行过程中直接改变电流接线正负极，操作工艺简便；

11、3、电解液浓度(0.01～6mol l-1)、电流密度(10ma cm-2～2000macm-2)与转换电极时间(0.5～300h)可调范围较大，方法可控性高；

12、4、应用该方法的电解槽装置不仅具有良好的稳定性，而且在长期使用过程中电化学性能不会出现衰退，甚至会有小幅度提升；

13、5、本发明的方法可大规模应用，在电解槽装置产业化阶段直接使用，也为提高电解水稳定性开辟了新的思路和途径。

技术特征：

1.一种通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于该通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法按照下列步骤实现：

2.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于当电解水电极为过渡合金材料时，过渡合金材料为nife合金、nimo合金或者femo合金。

3.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤一所述的过渡金属或者过渡合金材料的电解水电极形态为金属网、泡沫金属或者金属箔。

4.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤一中电解水电极的面积为4cm2～2500cm2。

5.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤二中所述的碱性溶液为koh溶液或者naoh溶液。

6.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤二中碱性溶液的浓度为1～3mol l-1。

7.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤二中电解液的温度为25～80℃。

8.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤三中碱性电解槽装置的电解液循环方式采用双循环。

9.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤四中每隔5～20h交换通向电解槽的电流正负极。

10.根据权利要求1所述的通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，其特征在于步骤四中电解水制氢过程中控制电流密度为50macm-2～2000ma cm-2。

技术总结一种通过电极转换提高碱性电解槽稳定性的方法，本发明要解决目前提升电解槽稳定性方法单一，稳定性提升效率较低和成本较高等问题。提高碱性电解槽稳定性的方法：一、以过渡金属或者过渡合金材料作为电解水电极；二、碱性溶液作为电解液；三、组装碱性电解槽装置，阳极板与直流电源的正极相连，阴极板与直流电源的负极相连；四、在电解水制氢过程中，不断交换连接电解槽电流正负极的导线，从而对电极正负极进行转换。本发明是一种有效、简单、成本低、易操作且在电解槽实际大规模使用过程中可直接应用的提高稳定性的方法，转换过程中在电极表面生成了带有氧缺陷的过渡金属族元素羟基氧化物，不仅提高了稳定性，甚至最终工作电压小于初始值。技术研发人员：王志红,孔晋,刘超越,王硕,刘栩彤,荀之,孟琦,滑勉,史斌斌,王丽红受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18