一种电解水催化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，更具体地，涉及一种电解水催化剂及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的短缺和世界各国对碳减排的迫切需求，寻找新的可再生清洁能源至关重要。氢能由于其来源广泛、能量密度高、燃烧产物无污染引起广泛关注。其中，电解水制氢技术能量利用率高、生产过程无污染、产物纯度高，被认为具有工业化大规模制氢的潜力，有很好的应用前景。但工业化生产也对电解水技术特别是析氢的阴极提出了新的挑战：大电流密度下具有低过电位并保持高稳定性。

目前性能最优的析氢催化剂为贵金属基材料，且多为粉体材料，电极制备需要使用导电粘结剂，这使得其虽然具有高析氢性能，但很容易从基底脱落，稳定性差。而过渡金属氢氧化物很容易在基底上原位生长，形成稳固的自支撑结构，具有很高的稳定性，缺点在于较差的析氢能力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电解水催化剂及其制备方法，由此解决现有电解水催化剂难以同时兼具较优的析氢性能和稳定性的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种电解水催化剂及其制备方法，包括：

S1，采用腐蚀法在泡沫铁基底上原位生长过渡金属氢氧化物以制备前驱体；

S2，通过溶液浸泡还原法在所述前驱体上负载贵金属，得到电解水催化剂。

优选地，步骤S1包括：

将氯化镍和氯化钠加入去离子水中并搅拌均匀，加入清洗过的泡沫铁作为基底进行腐蚀反应后取出，分别用去离子水和无水乙醇清洗后在真空环境下干燥，得到所述前驱体。

优选地，所述泡沫铁的尺寸为1mm*20mm*40mm，所述去离子水的体积为100mL，所述氯化钠和氯化镍的物质的量分别为10mmol和30mmol。

优选地，所述泡沫铁的清洗方式为：分别用无水乙醇、盐酸依次超声清洗10min，之后用去离子水冲洗数次。

优选地，腐蚀反应温度为常温，反应时间为12h。

优选地，步骤S2包括：

将所述前驱体浸没在贵金属盐水溶液中进行还原反应后取出，分别用去离子水和乙醇清洗后在真空环境下干燥，得到所述电解水催化剂。

优选地，还原反应温度为常温，反应时间为10h；所述贵金属盐水溶液为氯化钌水溶液。

优选地，所述前驱体的尺寸为1cm*2cm，所述氯化钌水溶液的浓度为8mg/mL，体积为2mL。

优选地，所述过渡金属氢氧化物为镍铁氢氧化物。

按照本发明的第二方面，提供了一种电解水催化剂，所述电解水催化剂采用如第一方面所述的制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

因此，我们结合两者优点，在导电基底上原位生长层状氢氧化物，保持稳定的自支撑结构，同时负载少量贵金属，利用其优异的析氢性能，最终满足工业化生产的需求：大电流密度、低过电位、高稳定性。

本发明的目的在于提高电解水催化剂的析氢性能和稳定性能，以满足工业化生产的需求，本发明以常见且价格低廉的商业泡沫铁为原料，使用腐蚀法制备过渡金属氢氧化物前驱体，再用贵金属盐水溶液浸泡法，负载贵金属，工艺简单，具有工业化大规模生产的潜力，制备的催化剂，可以在低过电位下实现大电流密度且具有高稳定性。

工艺简单，具有实现大规模生产的基础，有很高的工业化应用潜力。制备的催化剂可以在94mV的过电位下实现500mA/cm2的大电流密度且组装成电解池后能稳定运行至少1300h。

附图说明

图1为按照本发明实施例1、2、3所制备的催化剂的极化曲线；

图2为按照本发明实施例4所组装电解池的电位-时间的计时电位曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种电解水催化剂的制备方法，包括：

S1，采用腐蚀法在泡沫铁基底上原位生长过渡金属氢氧化物以制备前驱体。

S2，通过溶液浸泡还原法在所述前驱体上负载贵金属，得到电解水催化剂。

具体地，所述电解水催化剂为过渡金属氢氧化物负载贵金属催化剂，该催化剂使用腐蚀法在泡沫铁基底上原位生长过渡金属氢氧化物前驱体，再通过溶液浸泡还原法在前驱体上负载贵金属。

优选地，步骤S1包括：

将氯化镍和氯化钠加入去离子水中并搅拌均匀，加入清洗过的泡沫铁作为基底进行腐蚀反应后取出，分别用去离子水和无水乙醇清洗后在真空环境下干燥，得到所述前驱体。

具体地，用腐蚀法制备前驱体，将一定量的氯化镍和氯化钠加入一定体积的去离子水中，搅拌均匀，然后加入清洗过的泡沫铁作为基底，在一定温度下反应一定时间后分别用去离子水和无水乙醇清洗，最后在真空环境下干燥。

优选地，所述泡沫铁的尺寸为1mm*20mm*40mm，所述去离子水的体积为100mL，所述氯化钠和氯化镍的物质的量分别为10mmol和30mmol。

优选地，所述泡沫铁的清洗方式为：分别用无水乙醇、1mol/L盐酸依次超声清洗10min，之后用去离子水冲洗数次。

优选地，腐蚀反应温度为常温，反应时间为12h。

优选地，步骤S2包括：

将所述前驱体浸没在贵金属盐水溶液中进行还原反应后取出，分别用去离子水和乙醇清洗后在真空环境下干燥，得到所述电解水催化剂。

具体地，通过溶液浸泡还原法在前驱体上负载贵金属，配置一定浓度的贵金属盐水溶液，将制备好的前驱体浸没其中，在一定温度下反应一段时间后取出，分别用去离子水和乙醇清洗，最后在真空环境下干燥。

优选地，还原反应温度为常温，反应时间为10h。

优选地，所述贵金属盐水溶液为氯化钌水溶液。

优选地，所述前驱体的尺寸为1cm*2cm，所述氯化钌水溶液的浓度为8mg/mL，体积为2mL。

优选地，所述过渡金属氢氧化物为镍铁氢氧化物。

具体地，可以通过溶液浸泡还原法将贵金属负载在泡沫铁基底原位生长的镍铁氢氧化物上。

本发明实施例提供一种电解水催化剂，所述电解水催化剂采用如上述任一实施例所述的制备方法制备得到。

为了使电化学测试得到的数据具有可比性，以下实例均于在上海辰华仪器有限公司的CHI660D电化学工作站上进行电化学测试。实施例1～3测试条件均如下：碳棒作为对电极，汞氧化汞电极作为参比电极，制备的催化剂作为工作电极，组成三电极测试体系，测试电解液为1MKOH溶液。

实施例1，包括下述步骤：

1)将泡沫铁分别用无水乙醇、1mol/L的HCl溶液清洗10min，以除去表面的油污和氧化物，之后用去离子水冲洗数次，洗去表面的酸液。

2)分别将10mmolNaCl和30mmolNiCl

取所制备的FNOH作为工作电极，面积为0.5cm

实施例2，包括下述步骤：

1)将泡沫铁分别用无水乙醇、1mol/L的HCl溶液清洗10min，以除去表面的油污和氧化物，之后用去离子水冲洗数次，洗去表面的酸液。

2)将洗净的泡沫铁直接放入质量浓度为8mg/mL的氯化钌溶液中静置10h后取出，用去离子水和无水乙醇洗涤后在在真空条件下干燥，得到的产物即为负载贵金属钌的泡沫铁，记为R-FF。

取所制备的R-FF作为工作电极，面积为0.5cm2，在1MKOH溶液中，以5mV/s的扫速对其进行线性扫描极化曲线测试，测试结果如附图1中的R-FF所示。

实施例3，包括下述步骤：

1)将泡沫铁分别用无水乙醇、1mol/L的HCl溶液清洗10min，以除去表面的油污和氧化物，之后用去离子水冲洗数次，洗去表面的酸液。

2)分别将10mmolNaCl和30mmolNiCl

3)将制备得到的前驱体直接放入质量浓度为8mg/mL的氯化钌溶液中静置10h后取出，用去离子水和无水乙醇洗涤后在在真空条件下干燥，得到的产物即为所述负载贵金属钌的镍铁氢氧化物催化剂，记为R-FNOH。

取所制备的R-FNOH作为工作电极，面积为0.5cm

实例1～3的测试结果表明，负载贵金属钌能明显降低催化剂的析氢过电位，特别是以镍铁氢氧化物负载钌，催化剂析氢性能最优。

实施例4，包括下述步骤：

1)将泡沫铁分别用无水乙醇、1mol/L的HCl溶液清洗10min，以除去表面的油污和氧化物，之后用去离子水冲洗数次，洗去表面的酸液。

2)分别将10mmolNaCl和30mmolNiCl

3)将制备得到的前驱体直接放入质量浓度为8mg/mL的氯化钌溶液中静置10h后取出，用去离子水和无水乙醇洗涤后在在真空条件下干燥，得到的产物即为所述负载贵金属钌的镍铁氢氧化物催化剂，记为RFNOH。

取所制备的RFNOH为阴极，FNOH为阳极，组装成电解池RFNOH||FNOH，在1MKOH溶液中，将该实施例所制备的催化剂在1MKOH溶液中进行电位-时间的即时电位曲线测试，测试了该催化剂在电流密度为500mA/cm

本发明未尽事宜为公知技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。