一种硅钢电催化电极及其在电化学全解水中的应用

本申请涉及电催化剂，具体涉及一种硅钢电催化电极及其在电化学全解水中的应用。

背景技术：

1、h2是一种绿色能源，广泛应用于化工、电子、冶金、能源、航空航天及交通运输的诸多领域。传统的h2多采用化石能源裂解的方法制备，其制备过程需要消耗大量化石能源、消耗大量能源，同时产生大量副产物。因此，通过电解的方法制备h2，是一种高效低能耗、低污染的合成途径。电解制h2的最大挑战在于电解过程中阳极的析氧反应(oer)，该过程需要经历四电子转移过程，涉及到oh-的吸附、氧自由基(o*)、羟基氧化物自由基(ooh*)、氧氧自由基(oo*)及氧气(o2)的形成及脱附过程，其反应所需活化能高，动力学缓慢，是制约电解水过程的关键。因此制备一种高效催化水分解析氧反应，同时也有较高析氢反应活性的催化剂是推广使用氢能的关键所在。

2、目前，电催化析氧、析氢反应的催化剂主要有以下三类，第一类为铂(pt)、钯(pd)、钌(ru)、铱(ir)等贵金属及其氧化物，其价格昂贵，自然储量低，难以大规模应用；第二类以非贵金属及其氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等为代表的粉末状催化材料，例如专利cn109701559a公开了一种电催化阳极析氧催化剂(fexni1-x)s2纳米晶材料，可高效催化水分解反应；然而这一类催化材料往往需要使用溶剂、粘结剂(如全氟化树脂nafion等)等将其分散后涂敷在导电基底上，其稳定性往往欠佳，难以实现长时间稳定工作；第三类则是将直接在导电基底上原位生长一些具有催化活性的催化剂，例如专利cn114774960a公开了一种高效型oer电化学活性催化剂，其利用泡沫镍、铁粉、草酸、乙酸等物质合成了一种高效析氧反应电催化剂；专利cn114657591a公开了一种镍铁类水滑石/硫化镍铁异质结构海水氧化电催化剂及其制备方法，其在泡沫镍上合成了具有类水滑石结构的镍铁/硫化镍铁异质结构用于海水分解的阳极反应。这一类催化材料的合成工艺复杂，且其导电基底多为泡沫金属如泡沫镍，其制备工艺复杂，价格较贵；另一方面其催化活性往往在制备后就已经确定，难以根据实际工况条件改变催化活性，反应的可控性、普适性相对较差。

3、亟需开发一种价格低廉、制备工艺简单、普适性和稳定性好的的电催化剂。

技术实现思路

1、本申请提供一种硅钢电催化电极及其在电化学全解水中的应用，旨在解决现有水电解电催化剂存在的成本高昂、制备工艺复杂、普适性和稳定性差的问题。

2、为了达到上述目的，本申请采用以下技术方案予以实现。

3、本申请的第一方面，提供一种硅钢电催化电极，包括硅钢电极板，所述硅钢电极板的材质为硅钢或改性硅钢；

4、所述硅钢以重量计，包含如下百分含量的组分：si 1.0～4.5wt％，c＜0.08wt％，余量为铁。

5、在一些实施例中，所述硅钢电催化电极，还包括增强器件；所述增强器件用于产生磁场，使所述硅钢电极板处于所述磁场之中。

6、在一些实施例中，所述增强器件为天然磁铁、人造磁铁或电磁铁；所述磁场为匀强磁场或交变磁场，所述磁场的强度为0～10t。

7、在一些实施例中，所述改性硅钢包括硅钢基底，以及沉积在硅钢基底表面的功能层。

8、在一些实施例中，所述改性硅钢的制备方法包括：去除硅钢表面的油污和氧化层，通过磁控溅射法、化学沉积法、水热沉积法、阳极氧化法或阴极沉积法在硅钢表面沉积功能层，得到改性硅钢。

9、在一些实施例中，所述功能层包括铁系元素、铁系元素氧化物、铁系元素硫化物、铁系元素磷化物或铁系元素硒化物中的任意一种或多种。

10、在一些实施例中，所述硅钢电催化电极，还包括与所述硅钢基电极体连接的导电电极载体。

11、在一些实施例中，所述导电电极载体包括导电金属板、石墨块、碳布、金刚石电极或玻璃电极。

12、本申请的第二方面，提供上述硅钢电催化电极在电化学全解水中的应用。

13、在一些实施例中，所述水为碱的水溶液、碱与盐的混合溶液或碱性的天然水。

14、与现有技术相比，本申请的有益效果为：

15、本申请的硅钢电催化电极为大尺寸的块状、片状、条状或棒状硅钢，具有良好的普适性和稳定性，可用于各种复杂电解质环境的水分解反应。硅钢电催化电极可直接作为电催化电极，或与导电电极载体连接作为复合电催化电极，无需导电树脂和昂贵的泡沫镍基底电极，成本低、制备工艺简单且稳定性好，具有良好的应用前景。

16、本申请的硅钢电催化电极在磁场作用下催化性能得到提升，通过改变磁场的强度、方向、大小可控制硅钢电催化电极的催化活性，进而控制局部的反应速率，便于水分解过程控制。

技术特征：

1.一种硅钢电催化电极，其特征在于，包括硅钢电极板，所述硅钢电极板的材质为硅钢或改性硅钢；

2.根据权利要求1所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述硅钢电催化电极，还包括增强器件；所述增强器件用于产生磁场，使所述硅钢电极板处于所述磁场之中。

3.根据权利要求2所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述增强器件为天然磁铁、人造磁铁或电磁铁；

4.根据权利要求1所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述改性硅钢包括硅钢基底，以及沉积在硅钢基底表面的功能层。

5.根据权利要求4所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述改性硅钢的制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述功能层包括铁系元素、铁系元素氧化物、铁系元素硫化物、铁系元素磷化物或铁系元素硒化物中的任意一种或多种。

7.根据权利要求1所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述硅钢电催化电极，还包括与所述硅钢基电极体连接的导电电极载体。

8.根据权利要求7所述的硅钢电催化电极，其特征在于，所述导电电极载体包括导电金属板、石墨块、碳布、金刚石电极或玻璃电极。

9.权利要求1-8任一项所述的硅钢电催化电极在电化学全解水中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述水为碱的水溶液、碱与盐的混合溶液或碱性的天然水。

技术总结本申请涉及电催化剂技术领域，公开了一种硅钢电催化电极及其在电化学全解水中的应用。所述硅钢电催化电极，包括硅钢电极板，所述硅钢电极板的材质为硅钢或改性硅钢；所述硅钢以重量计，包含如下百分含量的组分：Si 1.0～4.5wt％，C＜0.08wt％，余量为铁。本申请的硅钢电催化电极为大尺寸的块状、片状、条状或棒状硅钢，具有良好的普适性和稳定性，可用于各种复杂电解质环境的水分解反应。硅钢电催化电极可直接作为电催化电极，无需导电树脂和昂贵的泡沫镍基底电极，成本低、制备工艺简单且稳定性好；其在磁场作用下催化性能得到提升，通过改变磁场的强度、方向、大小可控制硅钢电催化电极的催化活性，进而控制局部的反应速率，便于水分解过程控制。技术研发人员：范金辰,谢镓玮,冯勇杰,王媛,房宇杰受保护的技术使用者：上海理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23