一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极及在光伏耦合电解碱性海水中的应用

本发明属于光伏-电解海水制氢，特别是涉及一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极及在光伏耦合电解碱性海水中的应用。

背景技术：

1、能源危机与环境污染是人类21世纪以来面临的最大挑战。地球上氢的主要存在形式是以水的形式存在，因此实现高效分解水产生氢气为高效生产氢气的不二选择。但由于淡水资源相较于海水资源的稀缺性，海水的丰富性为分解水制氢提供了更多的现实利用价值。自1888年俄国拉切诺夫提出单极性水电解制氢装置以来，电化学制氢手段被不断研究。但由于其需要外界电场的输入，同样产生了一定的能源损耗。到了20世纪，fujishima发现可利用二氧化钛在光照条件下利用光催化手段即pc体系实现分解水制氢，该方法无需外加电场，大大降低了能源损耗，自此开启了利用光照手段进行制氢的研究。但由于pc体系产氢效率较低，基于此又提出了光电催化(pec)以及光伏电催化(pv-ec)体系。在这三者中pv-ec体系分解海水的效率最高，且其具有极高的现实应用价值，因此其被广泛研究。

2、光伏电催化体系性能优越与否的核心在于其核心电极的性能是否优越。因此开发一种能够高效分解海水的电极为重中之重。现有合成电极的方法包括：溶剂热法，电场辅助法，高温煅烧法，化学气相沉积法等。

3、由于溶剂热法、电场辅助法、高温煅烧法和化学气相沉积法存在着高温耗能以及步骤繁琐等问题，利用高耗能手段同样不利于进行大规模制备电极。

4、从化学反应层面上讲，由于析氧半反应(oer)涉及四电子转移过程，动力学过程较析氢反应慢，过电位更高，为电解海水分解的决速步。除此以外，海水中大量氯离子的存在会发生析氯反应，会与析氧反应发生竞争，进而不利于海水的电解，同时在电解过程中产生的氯化物还会腐蚀电极，此外碱性海水中存在着大量钙镁离子，在碱性环境下其会形成氢氧化物沉淀，进而堵塞电极的活性位点，出现电解效率不高等问题。

5、因此，本领域亟需一种制备方法简单、能耗低且能够实现高效稳定分解海水的电极。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极及在光伏耦合电解碱性海水中的应用，以解决上述现有技术存在的问题。

2、本发明提供的技术方案之一：

3、一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极的制备方法，对浸渍在含有niso4、co(no3)2和na2s2o3的混合溶液中的泡沫铁施加外磁场，烘干后制得双金属共掺杂电极。

4、本发明采用上述方法制备双金属共掺杂电极的原理为在外磁场的作用下，材料-溶液界面处的磁畴会快速形成且磁畴内部的一些磁矩发生定向转变，磁畴内磁矩方向趋于与外磁场方向一致，此时处在相界面处的过渡金属离子(此处特指三价铁离子与二价钴离子)在自身的铁磁性与材料-溶液界面处的磁畴的磁相互作用下发生定向排列，提高了金属离子的掺杂量以及离子的定向掺杂以提高材料的有序度，进而增强oer活性。

5、优选的，所述niso4、co(no3)2和na2s2o3的摩尔浓度比为(30-35)：(30-35)：1。

6、优选的，所述泡沫铁为去除氧化膜的泡沫铁。

7、将泡沫铁剪成厚度为2mm的小块(1cm*2cm*2mm)，加入盐酸(1-3mol/l)中，在293.15k-298.15k下超声15min，然后分别用乙醇和蒸馏水超声清洗30s，除去泡沫铁表面的氧化膜以及有机物。

8、优选的，所述浸渍的时间为5min3s，温度为293.15k-298.15k。

9、优选的，所述外磁场方向垂直于泡沫铁xoy平面，且与z轴正向相同。

10、优选的，所述外磁场的强度为11872-14840gs。

11、优选的，所述烘干的温度为333.15k，时间为4-6h。

12、本发明提供的技术方案之二：

13、一种上述制备方法制得的双金属共掺杂电极。

14、本发明提供的技术方案之三：

15、一种上述利用磁场快速制备双金属共掺杂电极在光伏耦合电解碱性海水中的应用。

16、本发明的有益效果：

17、本发明制备得到的双金属共掺杂电极是一种镍钴共掺杂羟基氧化物电极，选用自然丰度高且具有铁磁性的泡沫铁作为基底，并使用常用过渡金属盐作为原料，大大减小了合成电极的原料的成本。

18、本发明提供了一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极的制备方法。在室温下，利用原料及基底所具有的铁磁性，施加一外磁场以促进电极-溶液界面附近磁畴的快速形成以及磁畴内磁矩的重排列促进界面内金属离子的定向快速掺杂进而快速制备电极，改善了传统合成方法的高温耗能、步骤繁琐等问题，合成方法绿色高效。

19、本发明提供了一种双金属共掺杂电极，通过羟基氧化物的高产氧活性改善水分解过程中决速步动力学缓慢的问题，有效解决了水分解反应的瓶颈。

20、本发明提供了一种通过双金属共掺杂电极耦合光伏板实现利用的太阳能进行海水分解的装置，实现了14.6％的太阳能到氢转换效率(sth)，为通过低成本实现海水分解制氢提供了典型的示范与参考价值。

技术特征：

1.一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极的制备方法，其特征在于，对浸渍在含有niso4、co(no3)2和na2s2o3的混合溶液中的泡沫铁施加外磁场，烘干后制得双金属共掺杂电极。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述niso4、co(no3)2和na2s2o3的摩尔浓度比为(30-35)：(30-35)：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫铁为去除氧化膜的泡沫铁。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述泡沫铁的规格为1cm*2cm*2mm。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的时间为5min3s，温度为293.15k-298.15k。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述外磁场方向垂直于泡沫铁xoy平面下，且与z轴正向相同。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述外磁场的强度为11872-14840gs。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烘干的温度为333.15k，时间为4-6h。

9.一种权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的双金属共掺杂电极。

10.一种权利要求9所述的双金属共掺杂电极在光伏耦合电解碱性海水中的应用。

技术总结本发明公开了一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极及在光伏耦合电解碱性海水中的应用，属于光伏‑电解海水制氢技术领域，对浸渍在含有NiSO<subgt;4</subgt;、Co(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;2</subgt;和Na<subgt;2</subgt;S<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;的混合溶液中的泡沫铁施加外磁场，烘干后制得所述利用磁场快速制备双金属共掺杂电极。本发明提供了一种利用磁场快速制备双金属共掺杂电极的制备方法。在室温下，利用原料及基底所具有的铁磁性，施加一外磁场以促进电极‑溶液界面附近磁畴的快速形成以及磁畴内磁矩的重排列促进界面内金属离子的定向快速掺杂进而快速制备电极，改善了传统合成方法的高温耗能、步骤繁琐等问题，合成方法绿色高效。技术研发人员：简经鑫,李佳禾,林嘉颖,佟庆笑受保护的技术使用者：汕头大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9