[发明专利]一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法

说明书

本发明属于能源化工领域，具体涉及一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法。首先将铜片分别在丙酮、去离子水和无水乙醇中超声清洗以清除铜片表面的油污，然后将铜片在质量分数为2％的KHCO₃水溶液中160℃水热处理10小时以改变铜片表面的结构和形貌，用作电解水制氢的电极时，水热处理后的铜片表现出起始电位低、析氢效率高的特点。本发明的主要特征是：用一种简单方便，环保无毒的方法实现了对铜片的表面改性，大幅提升了其作为电极用于电解水制氢时的性能，有望实现大规模廉价电解水制氢。

技术领域

本发明属于能源化工领域，具体涉及一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法。这种方法具有设备简单、体系环保无毒、反应条件容易实现的特点，因而在金属表面处理、电极改性、电解水制氢气等领域有广泛的应用前景。

背景技术

氢气是最重要的工业气体和特种气体之一，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、精细有机合成、航空航天、清洁能源等领域有着广泛的应用。电解水制氢可以简便高效的获得高纯度氢气，该工艺环保无毒，但需要消耗大量电能。

为了能更好的促进电解水反应的发生，降低电能消耗，开发廉价且高效的电催化剂和电极是关键。研究表明，以Pt、Pd为主的贵金属及其合金是当前催化效果最好的析氢催化剂，但其造价昂贵。通过负载的方法分散贵金属可以提高其原子利用率，降低贵金属的用量，但是负载后的贵金属在使用时需要经过复杂的工艺制备成电极，其活性和稳定性受到制备工艺的很大限制，难以实现大规模工业应用。因此，寻找一种既具有催化作用，又可以通过简单加工就可以直接作为电极且廉价易得的电解水制氢材料意义重大。

铜是人类最早使用的金属材料之一，储量丰富，冶炼技术成熟，具有良好的导电、导热和延展性，机械性能优良，已在电缆、电气、电子元件中得到广泛使用，但很少用作电解水制氢的电极，其根本原因是铜电极电解水制氢需要克服较高的过电势，造成大量电能损失。因此，在大幅降低铜电极电解水制氢过电势的同时，仍然保留铜本身良好的导电、导热和易机械加工的特性，这项技术具有非常广阔的市场应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法，其特征在于：首次直接以KHCO₃水溶液为介质，通过水热处理的方法改变铜片表面的形貌，增强了铜片作为电极用于电解水制氢气时的性能。本发明的最大特点是方法简单、体系环保无毒、反应条件容易实现，其具体方法如下：

(1)将铜片裁剪为3×4cm²的大小，放入500mL大烧杯中，先后加入丙酮、去离子水和无水乙醇进行超声清洗，每次超声清洗时间为10 分钟；

(2)用去离子水配置质量分数为2％的KHCO₃水溶液，将铜片和质量分数为2％的KHCO₃水溶液一起放入密闭的100mL水热釜中，在旋转烘箱中加热至160℃，恒温10小时；

(3)反应结束后，打开烘箱门，使水热釜自然降至室温，将水热处理好的铜片取出，用去离子水洗净、晾干，然后裁剪成1×2cm²的铜片，用于电解水实验。

与未经水热处理的铜片相比，经该方法水热处理后的铜片用作电解水制氢的电极时，起始电位明显降低，Tafel斜率明显减小，表现出优越的析氢性能，有望用于大规模电解水制氢。

附图说明

图1在质量分数为2％的KHCO₃水溶液，质量分数为2％的NH₄Cl 水溶液，去离子水三种反应介质中160℃水热处理10小时后的铜片用于电解水制氢时的LSV曲线。

图2不同温度下在质量分数为2％的KHCO₃水溶液中水热处理10 小时后的铜片用于电解水制氢时的LSV曲线。