温和条件制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种Au‑Bi阳极析氧催化剂的制备方法及其在电解水阳极析氧反应中的应用。制备步骤包括：1）工作电极的处理；2）电解液和金属前驱体的准备；3）原位制备。本发明专利技术制备的Au‑Bi阳极析氧催化剂，其最佳制备条件下的电化学水氧化性能测试在0.1M K3PO4（pH=12.4）电解液中进行，析氧电流密度为6.5mA/cm2；1 mA/cm2处的析氧过电位为315mV，塔菲尔斜率为43.5mV/dec；平均析氧速率为116.381μmol/(cm2·h)，法拉第效率达到90.43%。本发明专利技术首次提出了金的氧化物在温和条件下的电化学制备方法，扩充了金属析氧催化剂的研究范围。

Preparation and application of Au-Bi anodic oxygen evolution catalyst under mild conditions

The invention discloses a preparation method of an Au_Bi anodic oxygen evolution catalyst and its application in the anodic oxygen evolution reaction of electrolytic water. The preparation steps include: 1) treatment of working electrode; 2) preparation of electrolyte and metal precursor; 3) in-situ preparation. The anodic oxygen evolution catalyst prepared by the invention is tested in 0.1M K3PO4 (pH=12.4) electrolyte under the optimum preparation conditions. The oxygen evolution current density is 6.5mA/cm2; the oxygen evolution overpotential at 1 mA/cm2 is 315mV; the slope of Tafel is 43.5mV/dec; and the average oxygen evolution rate is 116.381 micromol /(cm2. H), Faraday efficiency reaches 90.43%. The invention first proposes an electrochemical preparation method of gold oxide under mild conditions, and expands the research scope of metal oxygen evolution catalyst.

【技术实现步骤摘要】
温和条件制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法及应用
本专利技术属于无机功能材料及电化学
，具体为一种原位电沉积制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法。
技术介绍
日益严重的能源危机和环境污染威胁着人类的生存和发展，低碳经济已经成为时代的宠儿。如何开发可再生新能源、高效的利用能源已经成为全世界关注的焦点。氢气是世界范围内被公认的能源载体，具有来源丰富、清洁、可再生等优点受到人们越来越多地关注，同时极大刺激了制氢技术的快速发展。电解水制氢是一种成熟的制氢方式。当前每年电解水制氢的氢气产量约占所有制氢方式产氢量的4%左右。电解水制氢的过程中无任何污染物以及CO2温室气体的排放，是一种环境友好的制氢技术。在一些电解质的水溶液中伴随直流电流的作用下，水在阳极失去电子分解析出氧气，在阴极得到电子析出氢气。电解池是电解水制氢的主要设备。电解水制氢的优点在于条件要求低，设备简单，设备投资少，产品纯净对环境无污染。同时其缺点也很明显，制氢成本较高，能耗大，制氢效率低，需要消耗大量的电能。电解水制氢大部分的成本来自电能的损耗，相对其他制氢方式通常意义上没有优势。但是通过不稳定的可再生太阳能、风能、潮汐能以及地热能发电再电解水制氢，不仅能有效地对环境友好型可再生能源进行利用制备氢气，还有效得解决了不稳定可再生资源的利用问题，对环境以及经济都有一定的现实意义。目前已经报道的新型阳极析氧催化剂包括Co基、Ni基、Cu基、Fe基及Mn基以及贵金属Ru、Ir、Ag等。该制氢技术电解质不仅是质子转移的受体，同时还是催化剂的配体，要求电解质和金属阳离子高效匹配，否则催化剂则无法制备。因此，扩展金属阳离子的类型以及探索相匹配的高效电解质，对于发展新型的阳极析氧催化剂至关重要。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种在无机盐中通过电化学方法制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法。本专利技术经过深入研究，将具有良好缓冲能力和质子转移能力的硼酸盐电解质应用于Au-Bi阳极析氧催化剂的制备，通过控制制备条件开发一种性能优异的Au-Bi阳极析氧催化剂。本专利技术解决的技术问题之一是提供一种制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法，该氧化物具有较高的催化活性。一种制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法，在硼酸盐体系中原位制备Au-Bi阳极析氧催化剂，具体工艺步骤为：（1）、导电玻璃基底的制备：将厚度为≤10mm，表面电阻为≤10Ω/sq的导电玻璃裁成玻片；导电玻璃为ITO导电玻璃和FTO导电玻璃中的一种。（2）、将导电玻璃玻片依次置于丙酮和无水乙醇溶液中进行超声清洗，清洗完毕后使用超纯水冲洗干净备用。（3）、氯化金钾溶液的配制：称取分析纯氯化金钾固体，配制0.02mol/L的氯化金钾溶液，将配制完毕的氯化金钾溶液存储备用。（4）、硼酸盐电解质的配制：称取分析纯四硼酸钾固体，配制0.2mol/L的四硼酸钾溶液，调节其pH至pH=11。（5）、使用量筒分别量取硼酸盐溶液40mL和38mL放入以微孔陶瓷玻璃为隔膜的H型电解槽中的阴极室、阳极室中。（6）、随后用移液管取2mL上述步骤（3）中配制的氯化金钾溶液于阳极室中。（7）、原位制备：采用三电极体系的电化学工作站，将导电玻璃作为工作电极，铂柱电极作为辅助电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，使导电玻璃玻片与H型电解槽阳极室溶液相接触，将H型电解槽固定于25℃的恒温水浴中，采用控制电位电解库仑法，电沉积电压为1.0-1.5V(vs.Ag/AgCl)之间。（8）、控制沉积的库伦量：通过导电玻璃玻片表面5-25库仑的电量时停止，获得Au-Bi阳极析氧催化剂。其最佳条件下制备的催化剂在0.1MK3PO4（pH=12.4）电解液中，平均析氧电流密度为6.5mA/cm2；在1mA/cm2的电流密度下，其析氧过电位为315mV，塔菲尔斜率为43.5mV/dec；平均析氧速率为116.381μmol/(cm2·h)，法拉第效率达到90.43%。所制备Au-Bi阳极析氧催化剂趋于非晶结构，而且首次原位制备出金的氧化物Au2O3。本专利技术解决的技术问题之二是提供上述Au-Bi阳极析氧催化剂在弱碱性体系下电解水阳极催化析氧反应中的应用。上述制备的Au-Bi阳极析氧催化剂作为工作电极，在弱碱性体系中进行碱性电解水阳极析氧反应。电催化的反应条件为：反应温度为25℃，电压为0-1.4V(vs.Ag/AgCl)，电解液采用浓度为0.1mol/L的K3PO4（pH=12.4）。电催化稳定性测试条件：反应温度为25℃，电压为1.105V(vs.Ag/AgCl)，时间为10800s。本专利技术优点主要体现在：1、本专利技术Au-Bi阳极析氧催化剂的制备条件温和、方法简单、易于控制，经济合理。2、本专利技术制备的Au-Bi阳极析氧催化剂，通过原位电沉积制备，在弱碱性环境中电解水析氧性能优异，应用条件：常温，常压，pH=12.4。3、本专利技术制备的Au-Bi阳极析氧催化剂趋于无定型结构。4、本专利技术获得Au-Bi阳极析氧催化剂具有小的粒径（10nm左右），同时首次提出了金的氧化物的制备方法，扩充了电解水析氧催化剂的种类，具有光明的应用前景。本专利技术设计合理，该方法是一种简便的贵金属氧化物的制备方法，同时扩充了金属氧化物作为阳极析氧催化剂的种类。附图说明图1表示通过原位电沉积的方法制备的Au-Bi阳极析氧催化剂的高倍透射电子显微镜图（a）和选区衍射图（b）。图2表示以ITO为工作电极，通过原位电沉积方法制备的Au-Bi阳极析氧催化剂在0.1MK3PO4溶液中的计时电流曲线，控制电位1.105V(vs.Ag/AgCl)，时间10800s。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施例进行详细说明。将厚度为1.8mm，表面电阻为8.6±1.0Ω/sq规格的ITO导电玻璃裁成尺寸为1cm×5cm的长条状，将长条状的ITO依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗10分钟，再用超纯水超声10分钟后备用。称取约0.7557g分析纯氯化金钾固体配制100mL0.02mol/L氯化金钾溶液备用。称取约4.888g分析纯四硼酸钾放于烧杯中，加入超纯水80mL，室温下超声搅拌溶解，浓度0.2mol/L。将上述四硼酸钾溶液中加入适量KOH，调节其pH至pH=11。然后用量筒分别量取四硼酸钾溶液40mL、38mL，分别放入H型电解槽的阴极室、阳极室。用移液管移取2mL0.02mol/L氯化金钾溶液加入阳极室，使其混合均匀，此时阳极室氯化金钾浓度0.001mol/L。实施例1将H型电解槽固定于恒温水浴中，控制温度为25℃，并使阳、阴极室保持搅拌，将铂柱电极（φ1mm×5mm）作为辅助电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，使ITO玻片1cm×1cm部分与电解槽阳极室溶液接触，并使参比电极的底端与ITO玻片的导电面距离约为5mm，采用控制电位电解库仑法，电解电压为1.105V(vs.Ag/AgCl)，直至通过ITO玻片的电量为20C/cm2时停止实验，获得Au-Bi阳极析氧催化剂。该Au-Bi阳极析氧催化剂的透射电镜如图1所示，分析该图发现，催化剂粒径大小在10nm左右（图a），高倍透射中显示出较为模糊的晶格，有少量Au纳米晶的存在，整体呈现长程无序，短程有序，显示为无定型。这部分少量Au0，来源于金氧化物的分解。将上述制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温和条件制备Au‑Bi阳极析氧催化剂的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、导电玻璃基底的制备：将厚度为≤10mm，表面电阻为≤10Ω/sq的导电玻璃裁成玻片；（2）、将导电玻璃玻片依次置于丙酮和无水乙醇溶液中进行超声清洗，清洗完毕后使用超纯水冲洗干净备用；（3）、氯化金钾溶液的配制：称取分析纯氯化金钾固体，配制0.02mol/L的氯化金钾溶液，将配制完毕的氯化金钾溶液存储备用；（4）、硼酸盐电解质的配制：称取分析纯四硼酸钾固体，配制0.2mol/L的四硼酸钾溶液，调节其pH至pH=11；（5）、使用量筒分别量取硼酸盐溶液40mL和38mL放入以微孔陶瓷玻璃为隔膜的H型电解槽中的阴极室、阳极室中；（6）、随后用移液管取2mL上述步骤（3）中配制的氯化金钾溶液于阳极室中；（7）、原位制备：采用三电极体系的电化学工作站，将导电玻璃作为工作电极，铂柱电极作为辅助电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，使导电玻璃玻片与H型电解槽阳极室溶液相接触，将H型电解槽固定于25℃的恒温水浴中，采用控制电位电解库仑法，电沉积电压为1.0‑1.5 V之间；（8）、控制沉积的库伦量：通过导电玻璃玻片表面5‑25库仑的电量时停止，获得Au‑Bi阳极析氧催化剂。...

【技术特征摘要】
1.一种温和条件制备Au-Bi阳极析氧催化剂的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、导电玻璃基底的制备：将厚度为≤10mm，表面电阻为≤10Ω/sq的导电玻璃裁成玻片；（2）、将导电玻璃玻片依次置于丙酮和无水乙醇溶液中进行超声清洗，清洗完毕后使用超纯水冲洗干净备用；（3）、氯化金钾溶液的配制：称取分析纯氯化金钾固体，配制0.02mol/L的氯化金钾溶液，将配制完毕的氯化金钾溶液存储备用；（4）、硼酸盐电解质的配制：称取分析纯四硼酸钾固体，配制0.2mol/L的四硼酸钾溶液，调节其pH至pH=11；（5）、使用量筒分别量取硼酸盐溶液40mL和38mL放入以微孔陶瓷玻璃为隔膜的H型电解槽中的阴极室、阳极室中；（6）、随后用移液管取2mL上述步骤（3）中配制的氯化金钾溶液于阳极室中；（7）、原位制备：采用三电极体系的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵强，刘林，李丹丹，钟达忠，李晋平，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14