[发明专利]一种电解池及其在电解水制氢中的应用

说明书

本申请公开了一种电解池，其特征在于，包括阳极电极片、阴极电极片、双极性膜、阳极室电解液和阴极室电解液；其中，所述阳极电极片包括阳极催化剂，所述阴极电极片包括阴极催化剂；所述阳极催化剂和所述阴极催化剂均为Ru‑RuO₂/CNT复合物催化剂；所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述双极性膜隔开；所述阳极室电解液为碱性溶液，所述阴极室电解液为酸性溶液。该电解池在0.65V的电位下即可驱动电解水的发生，并在0.73V的电位下达到10mA cm^‑2的电流密度，远远低于传统电解池中电解水的理论电位1.23V，大大降低了能耗，具有潜在应用价值。

技术领域

本申请涉及一种Ru-RuO₂/CNT复合材料、基于Ru-RuO₂/CNT复合材料催化剂的酸-碱杂合电解池及电解水制氢装置，属于材料、电池、电解水制氢领域。

背景技术

氢能，作为组成最简单，地球上资源最丰富的一种能源，已被公认为是最有潜力的清洁能源，因为H₂几乎无污染，可以降低对化石能源的依赖，以应对未来能源供应的安全问题并且减少温室气体的增加。目前，限制氢能得到大规模应用的最大挑战在于制氢过程中的成本和能耗太高。电解水被视为最有前景的产氢技术，通过这种方式，可以消除风能、太阳能等可再生能源的不稳定性的影响。然而，当要评估产氢的利益与经济可行性时，使用低效率、高能量需求的电解方式就得慎重考虑了。因此，仍有很大空间探索低成本、高活性的电催化剂以及选择能使电催化剂的活性得到最大利用的电解池。

电解水的电化学反应包括阴极析氢反应（HER）与阳极析氧反应（OER）。然而，大多数产氢催化剂在酸性介质中活性最佳（比如Pt/C），大多数产氧催化剂在碱性介质中活性最佳（比如RuO₂）。上述电催化剂和电解质的搭配失调的情况，使得合理设计电解池装置、开发低成本和高活性电催化剂的需求变得迫在眉睫，因为只有这样，电解水的能耗才会显著降低。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种电解池，该电解池采用Ru-RuO₂/CNT复合物催化剂同时作为阳极催化剂和阴极催化剂，在0.65 V的电位下即可驱动电解水的发生，并在0.73 V的电位下达到10 mA cm^-2的电流密度，远远低于传统电解池中电解水的理论电位1.23 V，大大降低了能耗。

所述电解池，其特征在于，包括阳极电极片、阴极电极片、双极性膜、阳极室电解液和阴极室电解液；

其中，所述阳极电极片包括阳极催化剂，所述阴极电极片包括阴极催化剂；

所述阳极催化剂和所述阴极催化剂均为Ru-RuO₂/CNT复合物催化剂；

所述阳极电解液和所述阴极电解液由所述双极性膜隔开；

所述阳极室电解液为碱性溶液，所述阴极室电解液为酸性溶液。

作为一种实施方式，所述Ru-RuO₂/CNT复合物催化剂的制备方法至少包括以下步骤：

a）将含有Ru离子的溶液与经过酸处理的碳纳米管接触后，经还原得到Ru/CNT前驱体；

b）将步骤a）所得的Ru/CNT前驱体进行部分氧化，得到所述Ru-RuO₂/CNT复合物催化剂。

作为一种实施方式，所述经过酸处理的碳纳米管由包括以下步骤的方法制备得到：将碳纳米管置于酸溶液中，于80~100℃下处理不少于6小时后，经洗涤、干燥得到。优选地，将碳纳米管置于酸溶液中，于90℃下处理8 h后，经离子水洗涤，冷冻干燥得到。

优选地，所述酸溶液为浓硝酸（质量分数68%）与浓硫酸（质量分数98%）的混合物，体积比V_HNO3：V_H2SO4 = 3：1。