电解水析氧反应催化剂及其制备方法与装置

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CO

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RuO

可见，制备性能更优的镍基电解水析氧反应催化剂，是将电解水制氢推向大规模工业化的一条重要途径。大量研究表明，表面微纳结构能有效提高催化剂表面积，进而提高催化剂的活性位点数量和电荷传导能力。基于以上两点，得到具有表面微纳结构的镍基催化剂涂层成为高性能电解水析氧反应催化剂设计的重要方向。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的一个目的是提供一种电解水析氧反应催化剂，其电化学稳定性良好，电化学活性和稳定性均达到贵金属RuO

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供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CeO

优选的是，所述催化剂中的Ni元素含量为30-50％，Co元素含量为20-40％，Ce元素含量为5-15％，O元素含量为10-30％。

一种电解水析氧反应催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

1)纳米CeO

2)将CeO

优选的是，所述纳米CeO

优选的是，球磨机旋转速度280-350转/分，球磨时间3-6小时。

优选的是，CeO

优选的是，电解液包括：NiSO

优选的是，电化学沉积时，采用2mA的恒电流和1.2mV的恒电位，沉积温度为室温，搅拌转速为30-60转/分钟。

优选的是，基体材料表面的磁场强度20-100mT。

一种磁场辅助电化学沉积装置，其包括：

磁力搅拌装置；

电解槽，其设置在所述磁力搅拌装置的上方，所述电解槽中放置有磁转子，所述电解槽中盛放有电解液，所述电解槽中设置有阳极、阴极和参比电极，所述电解槽的外侧设置有永磁铁以使永磁铁的磁场贯穿所述阴极；

电化学工作站，其与所述阳极、阴极、参比电极电性连接。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、本发明制得的催化剂即Ni-Co/CeO

第二、本发明以Ni、Co、CeO

第三、本发明采用磁场辅助电化学沉积方法将CeO

第四、本发明具有操作工艺简单，成本低，产量高，生产周期短的优点。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一个实施例磁场辅助电化学沉积装置的结构示意图；

图2为本发明不同工艺制备的催化剂的电镜扫描图；

图3为本发明不同工艺制备的催化剂的表面粗糙度立体图；

图4为本发明不同工艺下制备的催化剂的X射线衍射图；其中，图4-1为全谱图，图4-2为局部放大图；

图5为不同工艺下制备的OER催化性能曲线对比图；其中5-1为LSV曲线，5-2为Tafel曲线，5-3为Cdl曲线，5-4为阻抗谱；

图6为本发明制备的催化剂的稳定性测试结果图；其中，6-1为25小时计时电位曲线，6-2为测试前后LSV曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

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CeO

在另一种技术方案中，所述催化剂中的Ni元素含量为30-50％，Co元素含量为20-40％，Ce元素含量为5-15％，O元素含量为10-30％。

一种电解水析氧反应催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

1)纳米CeO

2)将CeO

本实施例中，基体材料可为316L不锈钢，也可为其他耐腐蚀、便宜、易加工的钢材。基体材料使用前，利用用砂纸对基体材料进行打磨抛光，并用稀盐酸和去离子水清洗表面，然后风干，以去除表面杂质和氧化层。磁场方向可与基体材料的表面垂直成直角，也可为与基体材料相交成锐角。

在另一种技术方案中，所述纳米CeO

在另一种技术方案中，球磨机旋转速度280-350转/分，球磨时间3-6小时。

在另一种技术方案中，CeO

在另一种技术方案中，电解液包括以下浓度组分：NiSO

在另一种技术方案中，电化学沉积时，采用2-5mA的恒电流和1-2mV的恒电位，沉积温度为室温，搅拌转速为30-60转/分钟，电沉积时间为20-50分钟。

在另一种技术方案中，基体材料表面的磁场强度20-100mT。

一种磁场辅助电化学沉积装置，其包括：

磁力搅拌装置；

电解槽，其设置在所述磁力搅拌装置的上方，所述电解槽中放置有磁转子，所述电解槽中盛放有电解液，所述电解槽中设置有阳极、阴极和参比电极，所述电解槽的外侧设置有永磁铁以使永磁铁的磁场贯穿所述阴极；

电化学工作站，其与所述阳极、阴极、参比电极电性连接。

<实施例1>

一种电解水析氧反应催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

1)粒径为20nm的纳米CeO

2)将CeO

本实施例中，316L不锈钢板使用前，利用用砂纸对316L不锈钢板进行打磨抛光，并用稀盐酸和去离子水清洗表面，然后风干，以去除表面杂质和氧化层。

<实施例2>

一种电解水析氧反应催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

1)粒径为15nm的纳米CeO

2)将CeO

<实施例3>

用于实施例1或实施例2的一种磁场辅助电化学沉积装置，如图1所示，其包括：

磁力搅拌装置；

电解槽，其设置在所述磁力搅拌装置的上方，所述电解槽中放置有磁转子，所述电解槽中盛放有电解液，所述电解槽中设置有阳极、阴极和参比电极，所述电解槽的外侧设置有永磁铁以使永磁铁的磁场贯穿所述阴极；

电化学工作站，其与所述阳极、阴极、参比电极电性连接。

使用时，阴极与基体材料连接。

<效果试验>

试验a：采用实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于，CeO

试验b：采用实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于，CeO

试验c：采用实施例1的制备方法，CeO

试验d：采用实施例1的制备方法，与实施例1的不同之处在于，CeO

一、催化剂的表面形貌试验结果

试验a-d的表面形貌电镜扫描结果，如图2所示。从图2可以看出，催化剂表面具有独特的微纳米柱+微纳米簇团的微纳多级结构。

二、催化剂的表面粗糙度试验结果

试验a-d的表面粗糙度试验结果，如图3所示。从图3可以看出，微纳米柱与微纳米簇团的直径约为500nm-20μm，有较大的比表面积，表面粗糙度约为3-12μm。磁通密度较低会导致复合电极的表面粗糙度增大。

三、催化剂的X射线衍射试验结果

试验a-d的X射线衍射结果，如图4所示。从图4可以看出，催化剂的相结构为Ni-Co合金与CeO2的双相结构。

四、催化剂的OER催化性能试验结果

试验a-d的催化剂在1M KOH的OER催化性能，如图5和表1所示。

表1催化剂OER催化性能的主要参数指标

本发明制备的催化剂具有独特的微纳米结构和较大比表面积，且表面粗糙度较低，使催化剂涂层具有更多的表面活性位点、更高的电荷转移速率和润湿性能，获得优异的OER催化性能，在10mA·cm

试验d与试验c的结果表明，CeO

试验a与试验c的结果表明，磁通密度较低导致催化剂的表面粗糙度增大，导致催化剂涂层的润湿角提高，亲水性下降，从而劣化了催化剂的催化性能。

试验b与试验c的结果表明，磁通密度较低导致催化剂的表面粗糙度增大，而过多的CeO

五、催化剂的稳定性试验结果

试验c的催化剂的稳定性试验结果，如图6所示。图6-1为25小时计时电位曲线，图6-2为测试前后LSV曲线对比。图6结果表明，本发明制备的催化剂具有优异的稳定性，这归功于催化剂涂层和基体材料良好的结合力。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。