[发明专利]一种中空泡沫自体催化电极及其制备方法

说明书

本发明属于电化学催化电极技术领域，具体为一种中空泡沫自体催化电极及其制备方法。本发明自体催化电极为由过渡金属催化剂构筑的中空泡沫结构电极，并由导电过渡金属催化剂覆盖高分子泡沫后，再由高温处理去除高分子泡沫而得到；催化剂选自过渡金属与硼、磷、碳、氮、硫、氧的一种或几种元素组成的合金或化合物；所述过渡金属为镍、钴、铁、铈、铜、锰、钒、钨、钼中的一种或几种；高分子泡沫选自密胺树脂泡沫、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫。本发明自体催化电极成本较低、结构简单、催化活性高、循环稳定性好、机械强度优异，在电解水、氯碱化工、污水处理、工业催化以及电池电极等领域具有工业实用价值。

技术领域

本发明属于电化学催化电极技术领域，具体涉及一种新型中空泡沫自体催化电极及其制备方法。

背景技术

二十一世纪以来，氢能作为最有潜力替代传统化石燃料的能源载体得到了大力的发展。电解水制氢是一种高效获得清洁能源的有效方法。目前贵金属铂铱等是性能优异的催化材料，然而因为其价格昂贵限制了其工业应用。开发价格低廉，能够规模生产的高效催化电极意义重大。

过渡金属化合物以其良好的电化学催化活性、导电性和稳定性等在电化学催化领域具有广泛的应用，尤其作为催化剂在电催化产氢、产氧方面具有应用前景。大多数过渡金属化合物对氢和氧有较高的亲和能力且合成简单、价格低廉，是十分有发展前景的电催化材料。催化剂的催化能力受活性面积和本征活性影响，为了提高催化电极的活性面积，电极材料的选择从最初的的镍、钛、铜片等二维基体材料逐渐向泡沫镍、泡沫钛、泡沫铜等三维材料发展。但仍旧存在不足的是，当前对于三维催化电极的研究大多还集中于粘结剂型电极或者自支撑型电极，例如中国专利200810227997.9选择泡沫镍作为电极材料的基材，利用电镀法负载一层活性材料制作成析氢电极材料。中国专利201811209906.9将泡沫镍浸渍于含氯化铁溶液中进行骨架粗糙化处理，然后将所得的泡沫镍在管式炉中进行低温气相磷化反应，得到最终的磷化镍电催化析氧材料。这些催化电极均由基体和催化剂组成，组成构件复杂，比表面积有限，而且结构强度较为脆弱，均不利于工业化应用。

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有中空泡沫结构的过渡金属催化电极及其制备方法。这种新型三维中空泡沫电极优势在于具备三维中空结构的同时也具有优异的本征活性，不仅扩大了电催化剂的比表面积，也增加了电催化剂的活性位点，进而提高电催化的性能。该新型三维中空泡沫电极可做为高效双功能电解水催化电极使用。另外，该中空泡沫自体电极的机械强度优异，能够经受一定的机械冲击，使其能够适应苛刻的工业使用环境。这种新型三维中空泡沫自体电极在电解水、氯碱化工、污水处理及电池电极等领域都具有重要的应用价值。

发明内容

本发明目的是提供一种比表面积大、催化活性好、机械强度高的中空泡沫自体催化电极及其制备方法。

本发明提供的中空泡沫自体催化电极，是由过渡金属催化剂构筑的中空泡沫结构电极，并由导电过渡金属催化剂覆盖高分子泡沫后，再由高温处理去除高分子泡沫而得到；其中，过渡金属催化剂选自过渡金属与硼、磷、碳、氮、硫、氧的一种或几种元素组成的合金或化合物；过渡金属为镍、钴、铁、铈、铜、锰、钒、钨、钼等的一种或几种；按质量计，催化剂中过渡金属元素含量60-95 %，其它元素含量5-40 %，几者的总量满足100%；高分子泡沫选自密胺树脂泡沫、聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫等。

本发明提供的上述中空泡沫自体催化电极的制备方法，具体步骤如下：

（1）高分子泡沫基体的活化处理：

将待活化的高分子泡沫完全浸没在活化剂中，温度为30-60 ℃，反应时间为5-20 min；用去离子水将活化后的基体洗净，完成活化；

（2）镀液配制：

将催化剂前驱体过渡金属盐、还原剂、络合剂、缓冲剂及水按一定比例混合，制得镀液；

（3）化学镀：