[发明专利]用于催化电解水的修饰电极及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于新能源领域，更具体地涉及用于催化电解水的电极及其制备方法和用途。

背景技术

近年来，太阳能转换和能量储存吸引了人们广泛的关注，其中分解水制备氢能源被许多科学家认为是将来代替化石燃料的重要能源来源^1-3。众所周知，催化水分解的氧化部分(需要同时四个质子和四个电子才能产生一分子氧气)已成为人工光合作用中的主要技术挑战，并且这对将来广泛利用太阳能产氢及氢气-燃料电池的发展有着至关重要的作用。在自然界中，植物通过光合作用催化水分解，这吸引了许多合成类似催化剂并模仿光合作用的研究^4-9。由于自然界中水氧化的活性中心是一个含锰的簇合物，文献中报道了许多含锰的配合物用于催化水的氧化，然而多数合成出来的催化剂并没有植物光合作用那样效率高，有的甚至没有催化活性^10-13。

如果氢气和氧气在燃料电池中得到应用，产生的唯一产物是水，对环境无污染，而且能量密度也很高。在现有技术中，利用电解方法将水分解成氧气和氢气也已经有了较多的研究^1，14。

然而，现有技术中利用电解方法将水分解生成氢气和氧气需要很高的能量，通常需要的电压高达9-12V以上，因而能耗很大，不利于实际生产和工业化应用。另外，在现有的诸多方法中，还存在电极制备所需设备昂贵、工艺复杂、电极原料成本高和电极不稳定等缺点^15-17。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗、低成本且制备过程简单的用于催化电解水的电极，利用这样的电极能够实现高效率催化电解水的工业化。本发明的发明人已发现，通过用廉价催化剂材料修饰用于电解水的工作电极获得的修饰电极能够实现本发明的目的。

在一方面，本发明提供一种用于催化电解水的修饰电极，所述修饰电极包括：

用于电解水的工作电极；和

沉积在所述工作电极上的含钴或镍的催化剂材料

在一个优选实施方式中，所述工作电极是由碳材料构成的电极。

在一个优选实施方式中，所述碳材料选自石墨、碳纳米管、无定形碳、玻璃碳或石墨烯。

在一个优选实施方式中，所述工作电极是石墨棒电极。

在一个优选实施方式中，所述含钴或镍的催化剂材料是钴或镍的氧化物。

在一个优选实施方式中，所述催化剂材料以薄膜形式沉积在所述工作电极上。

在另一方面，本发明提供一种制备用于催化电解水的修饰电极的方法，所述方法包括：

利用连接至电解槽的工作电极、参比电极和对电极分别作为阳极、参比电极和阴极，通过电解作为电解质溶液的含钴离子或镍离子的缓冲溶液以在所述工作电极上沉积含钴或镍的催化剂材料，从而获得所述修饰电极。

在一个优选实施方式中，所述缓冲溶液是含钴离子或镍离子的磷酸盐缓冲液或硼酸盐缓冲液。

在一个优选实施方式中，所述磷酸盐缓冲液或所述硼酸盐缓冲液的浓度为10-1000mmol/L。

在一个优选实施方式中，所述缓冲溶液中的钴离子或镍离子的浓度为0.1-1.0mmol/L。

在一个优选实施方式中，所述磷酸盐缓冲液或所述硼酸盐缓冲液的pH为5-10。

在一个优选实施方式中，在所述电解沉积过程中，所述工作电极和所述参比电极之间的距离小于1cm。

在一个优选实施方式中，在所述电解沉积过程中，以0-500转/min的搅拌速度搅拌所述电解质溶液。

在一个优选实施方式中，所述电解沉积的时间为0.1-10h。

在一个优选实施方式中，所述电解沉积的温度为15-35C。

在一个优选实施方式中，所述工作电极是由碳材料构成的电极。

在一个优选实施方式中，相对于标准氢电极，所述电解沉积过程中使用的电压为1.05-2V。

在另一个方面，本发明提供上述修饰电极或通过上述方法制备的修饰电极作为工作电极用于催化电解水以制取氢能源的用途。

在一个优选实施方式中，用于催化电解水的电压为1.05-2V以下。

在另一个方面，本分明天提供一种催化电解水的方法，所述方法包括：

利用连接至电解槽的工作电极、参比电极和对电极分别作为阳极、参比电极和阴极，利用含钴离子或镍离子的缓冲溶液作为电解质溶液，通过施加1.05-2V的电压进行电解将水分解生成氢气和氧气。

在一个优选实施方式中，所述缓冲溶液中的钴离子或镍离子的浓度为0.1-1.0mmol/L。