[发明专利]电解水析氧反应催化剂及其制备方法与装置

说明书

本发明公开了一种电解水析氧反应催化剂，所述催化剂具有微纳米柱以及微纳米簇团的微纳米多级结构，微纳米柱以及微纳米簇团的直径为500nm‑20μm，催化剂表面粗糙度为3‑12μm，所述催化剂相结构为Ni‑Co合金和CeO₂的双相结构。本发明公开了一种电解水析氧反应催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)制备CeO₂/Ni纳米混合粒子；2)将混合粒子添加到电解液中，电化学工作站的阳极连接Ni棒，阴极连接基体材料，放入电解槽中，搅拌电解液，并在电解槽旁增加与基体材料表面相交的磁场，进行电化学沉积，获得所述催化剂。本发明还公开了一种磁场辅助电化学沉积装置。本发明制备的催化剂的电化学活性和稳定性可达到贵金属RuO₂催化剂水平，并且具有生产工艺简单，制备成本低等特点。

技术领域

本发明属于催化剂领域。更具体地说，本发明涉及一种电解水析氧反应催化剂及其制备方法与装置。

背景技术

近年来，石化能源的巨大消耗不但诱发能源危机，其燃烧排放的大量副产物也加剧了日益严重的气候变暖和大气污染。为缓解能源危机和环境污染，急需寻求更为绿色环保的能源替代方案。在此背景下，氢气作为零碳的能源载体，具有高能量密度、绿色、可持续的优点，而受到广泛关注。然而目前，世界上超过95％的氢气制取来源于化石燃料重整，生产过程大量排放CO₂，这无疑违背了减碳的初衷。与之相反，约3％-5％的氢气来源于电解水，生产过程无CO₂排放。更重要的是，通过电解水制氢可将风能、太阳能等有间歇性、地域性特征的可再生能源转换成零碳的化学能存储，

目前，电解水制氢难以实现大规模生产的主要原因是耗电量过大。尤其是电解水的阳极析氧反应(OER)，涉及复杂的电子转移过程，其动力学慢，需要高电压输入，严重限制了电解水制氢的发展。

近年来，贵金属催化剂RuO₂和IrO₂等在电解水析氧反应中具有高效性和稳定性，在商业上得到了应用，但其昂贵的成本和稀缺性以及制备工艺复杂，难以实现电解水制氢的大规模应用。因此，迫切需要开发一种经济、丰富、具有高效OER性能的催化剂来取代贵金属催化剂。近年来，镍基电极在催化性能方面表现出显著的活性，被认为是贵金属催化电极的替代品。此外，另有研究表明(J.Li,J.Li,X.Zhou,Z.Xia,W.Gao,Y.Ma,Y.Qu,HighlyEfficient and Robust Nickel Phosphides as Bifunctional Electrocatalysts forOverall Water-Splitting,ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8,10826-10834.)，高比表面积和多活性中心的镍基微纳表面结构由于其优越的电子传导和离子扩散效率通常具有优异的催化性能。而通过将活性纳米固体颗粒与镍金属基体复合制备的镍基复合电极可以进一步增加电极的比表面积和活性位点。这预示着镍基复合电极在OER催化剂材料中的应用具有光明前景。然而，目前电解水析氧反应催化剂的制备方法常采用溶胶凝胶法、球磨法等，此类方法有着工艺调控相对复杂、量产较小、生产周期长等缺点，距离大规模工业化制备仍有一段距离。Y.Pei等人(Y.Pei,Y.Yang,F.Zhang,P.Dong,R.Baines,Y Ge,H.Chu,P.M.Ajayan,J.Shen,M.Ye,Controlled Electrodeposition Synthesis of Co-Ni-P Filmas a Flexible and Inexpensive Electrode for Efficient Overall WaterSplitting.ACS Appl.Mater.Interfaces,2017,9(37),31887-31896.)采用恒电流电沉积法制备了NiCoP高效双功能催化剂涂层。该催化剂涂层制备简单、成本低廉、生产周期短，具有催化剂自支撑等优点。然而，该催化剂过电位偏高，在OER反应中在电流密度为10mA cm^-2时的过电位为340mV，相应的塔菲尔斜率为67mV dec^-1，并未完全发挥镍基材料的优异催化活性。