[发明专利]用于电化合成硼氢化物的催化电极的制备方法

说明书

用于电化合成硼氢化物的催化电极的制备方法，包括在钛基板上进行氧化钛微纳米线水热生长的步骤、钛基板上氧化钛微纳米线的氨氮还原步骤、复合金属Ni‑Pb亚层的化学沉积步骤以及Au表面层的化学置换沉积步骤。制得的催化电极不仅刚性强、耐腐蚀、性能稳定、表面多孔，而且具有很高的导电能力，通过多金属的相互协同作用，使其具有良好的催化活性。据测定，将成品电极作为阴极催化电极使用后，平均电流效率可达35%，并可还原得到NaBH₄产物。本发明的制备方法步骤简单、操作方便，实现了硼氢化物水解产氢后的副产物偏硼酸盐重新转化为硼氢化物，从而降低硼氢化物的生产和应用成本，节约硼资源，降低环境污染。

技术领域

本发明涉及一种基于电化学原理电解还原偏硼酸盐制备硼氢化物的催化剂以及催化电极的制备方法，属于新能源材料及其相关领域。

背景技术

能源危机和环境污染的日益加剧是当前人类社会面临的主要挑战，积极地寻求高效高能、环境友好的绿色替代能源是解决这些问题的关键途径。氢能的能量密度大、换能速度快、转化效率高，且可以清洁排放（产物为水），被视为传统化石燃料的理想替代能源，因而近年来氢能的开发和利用已引起广泛关注。随着质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的日臻完善，氢能在可再生新能源中的地位还将进一步提升。实现氢能规模化商用的关键制约因素在于获得安全、价廉且转化便捷的储氢材料。现阶段的储氢方式主要有物理法和化学法两大类。其中，硼氢化物（如硼氢化钠NaBH₄）和氨硼烷（NH₃BH₃）是配位氢化物型化学储氢材料中引人注目的典型代表，其储氢质量分数分别达到了10.8%和19.6%，具有良好的应用前景。借助适当的催化剂，硼氢化合物可在温和条件下实现可控水解，释放氢气，并产生副产物偏硼酸盐。硼氢化钠水解反应的化学反应方程式为：NaBH₄ + 2H₂O = NaBO₂ + 4H₂；氨硼烷水解反应的化学反应方程式为：NH₃BH₃ + 2H₂O = NH₄BO₂ + 3H₂。由于目前生产工艺技术的局限性，硼氢化钠和氨硼烷的成本均很高，因此在很大程度上限制了硼氢化合物作为氢源材料的应用。

将水解副产物偏硼酸盐重新转化为硼氢化物，不但可以拓宽硼氢化物的制备途径，有效降低这类储氢材料的应用成本，同时还能够实现硼资源的闭路循环利用，减轻污染。文献检索发现，现有的转化方案，主要是采用活泼金属Na、Mg或其氢化物NaH、MgH₂等强还原剂直接还原NaBO₂而生成NaBH₄，这些反应要求高温高压条件，且产物不易分离和纯化，因而至今尚未实现工业化生产。Cooper等报导了电解NaBO₂溶液制备NaBH₄的方法（US3734842-A），即通过电解方式实现阴极还原反应：BO₂^- + 6H₂O + 8e = BH₄^- + 8OH^-，但其电流效率很低，电解速度较慢，且需要贵金属作电极催化剂，成本较高，因而尚缺乏应有的实用价值。在电化学还原反应过程中，电极材料、电化液、添加剂、溶剂介质、电化室隔膜和电流供给方式（直流或脉冲）等均可对偏硼酸盐的电化还原效果产生很大影响。相比而言，电极催化剂及催化电极的构建方式对于电解效果的影响更为显著，甚至直接决定着能否获得目标产物。因此，寻求适用于电化学还原偏硼酸盐的电化学催化剂并建构合理可行的阴极催化电极具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种适用于电化学还原偏硼酸盐溶液制备硼氢化物的阴极催化剂并构建阴极电极，以期实现硼氢化物水解产氢后的副产物偏硼酸盐重新转化为硼氢化物，从而有效降低硼氢化物的生产和应用成本，节约宝贵的硼资源，降低环境污染。