一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极及其制备方法和应用

本发明属于电解水制氢，具体涉及到一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢能作为一种高能密度的清洁能源。利用可再生电力分解水是一种可持续的绿色制氢技术，特别是碱水电解(alk)技术允许使用非贵金属基电极材料，成本更低，发展时间长，当前市场占有率最高。然而，目前awe技术仍然面临两个关键挑战：(1)电流密度偏低，目前水平在250-400ma/cm2；(2)单位能耗偏高，目前水平在4.2-5.0kwh。电流密度决定设备体积与成本，电流密度越高，功率密度越大，单位功率电解槽体积越小，即节省材料用量越少又降低了装配难度；单位能耗决定制氢电费成本，工作电压越低，单位能耗越低，能量转化效率越高，生成每标方氢气耗电量越少。因此，alk电解槽“降本增效”的核心任务就是提高电流密度、降低单位能耗，关键在于减少电解槽工作电位损失，包括：欧姆损失、阳极过电位、阴极过电位、传质损失。其中阳极氧演化反应(oer)动力缓慢，需要较高的过电位，成为电位损失的主要部分。当前商用alk电解槽普遍采用镍丝网作为阳极，在400ma/cm2电流密度时过电位一般大于500mv。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

5、所述镍铁羟基化合物纳米片阵列电极包含氢氧化镍与羟基氧化铁的混合结晶，其中镍、铁、氧元素含量摩尔比为3～7：1～2：3～8。

6、本发明的另一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法。

7、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

8、将基底清洗后置于蚀刻液中进行蚀刻后取出并用去离子水冲洗；

9、将蚀刻后的基底作为阳极，在三电极体系中进行电沉积后取出，用去离子水和酒精反复洗涤，干燥后得到镍铁羟基化合物纳米片阵列电极；

10、其中，所述基底包括泡沫镍、镍丝网、镍毡。

11、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法一种优选方案，其中：所述基底清洗为将基底先后放入丙酮、酒精、去离子水中超声清洗。

12、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法一种优选方案，其中：所述蚀刻液为过硫酸铵和硫代硫酸钠的混合溶液，蚀刻时间为3～5min。

13、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法一种优选方案，其中：所述电沉积溶液为硫酸亚铁铵和硫酸铵的混合溶液，其中硫酸亚铁铵和硫酸铵的质量比为2～4:1。

14、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法一种优选方案，其中：所述电沉积的三电极体系，其中，ag/agcl电极和石墨棒电极分别作为参比电极和阴极。

15、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法一种优选方案，其中：所述电沉积采用恒流计时电位法，电流密度控制在10ma/cm2,沉积时间为10～15min。

16、本发明的再一目的是，克服现有技术中的不足，提供一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极在电解水中的应用。

17、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极在电解水中的应用一种优选方案，其中：所述电极应用在电解碱水oer时催化活性表现为288mv过电位即可达到1a/cm2的高电流密度。

18、作为本发明所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极在电解水中的应用一种优选方案，其中：所述镍铁羟基化合物纳米片阵列电极作为阳极组装的电解槽在1.72v电压下稳定输出1a/cm2电流密度，制氢速率达到4.18nm3/h m2，单位电耗为4.11kwh/nm3，能量转化效率为86％。

19、本发明有益效果：

20、本发明制备的阳极材料呈有序纳米片阵列结构，孔隙率高，比表面积大，有利于活性位点暴露和电解液渗透以及气体产物溢出，促进传质/传荷动力，提高电流密度。阳极材料含有高活性镍铁基催化物种，而且原位扎根生长确保了基底与催化剂之间的结合与电导，既降低了欧姆损失又减少了过电位损失。

21、本发明制备的阳极材料oer活性高且稳定性好，性能显著优越于商用iro2和镍丝网电极，而且制备流程简单，易规模化，成本低，能够实现alk电解槽的“降本增效”。

技术特征：

1.一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极，其特征在于：

2.如权利要求1所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法，其特征在于：包括，

3.如权利要求2所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法，其特征在于：所述基底清洗为将基底先后放入丙酮、酒精、去离子水中超声清洗。

4.如权利要求2所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法，其特征在于：所述蚀刻液为过硫酸铵和硫代硫酸钠的混合溶液，蚀刻时间为3～5min。

5.如权利要求2所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法，其特征在于：所述电沉积溶液为硫酸亚铁铵和硫酸铵的混合溶液，其中硫酸亚铁铵和硫酸铵的质量比为2～4:1。

6.如权利要求2所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法，其特征在于：所述电沉积的三电极体系，其中，ag/agcl电极和石墨棒电极分别作为参比电极和阴极。

7.如权利要求2所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极的制备方法，其特征在于：所述电沉积采用恒流计时电位法，电流密度控制在10ma/cm2,沉积时间为10～15min。

8.如权利要求2～7所述的制备方法制备得到的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极在电解水中的应用。

9.如权利要求8所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极在电解水中的应用，其特征在于：所述电极应用在电解碱水oer时催化活性表现为288mv过电位即可达到1a/cm2的高电流密度。

10.如权利要求8所述的镍铁羟基化合物纳米片阵列电极在电解水中的应用，其特征在于：所述镍铁羟基化合物纳米片阵列电极作为阳极组装的电解槽在1.72v电压下稳定输出1a/cm2电流密度，制氢速率达到4.18nm3/h m2，单位电耗为4.11kwh/nm3，能量转化效率为86％。

技术总结本发明公开了一种镍铁羟基化合物纳米片阵列电极及其制备方法和应用，属于电解水制氢技术领域。所述镍铁羟基化合物纳米片阵列电极包含氢氧化镍与羟基氧化铁的混合结晶，其中镍、铁、氧元素含量摩尔比为3～7：1～2：3～8。本发明制备的阳极材料呈有序纳米片阵列结构，孔隙率高，比表面积大，有利于活性位点暴露和电解液渗透以及气体产物溢出，促进传质/传荷动力，提高电流密度。阳极材料含有高活性镍铁基催化物种，而且原位扎根生长确保了基底与催化剂之间的结合与电导，既降低了欧姆损失又减少了过电位损失。技术研发人员：许小勇,周程,吕国爱,朱明泽,戴小军受保护的技术使用者：扬州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18