一种硒化物薄膜修饰泡沫镍电极的制备方法及其应用技术

技术编号:15684000 阅读:311 留言:0更新日期:2017-06-23 15:52
本发明专利技术涉及一种硒化物薄膜泡沫镍电极的制备方法。该方法包括以下步骤:将泡沫镍电极用盐酸和乙醇进行表面化处理,除去表面的氧化镍层,得到干净新鲜的金属表面;预处理后,将该泡沫镍电极浸入到过渡金属氯化物、硫族氧化物及支持电解质的混合溶液中,在泡沫镍电极表面用电化学方法沉积硒化物薄膜。通过电化学沉积方法所得到的硒化物薄膜稳定,可以实现水分解的氧催化析出;而且泡沫镍电极具有多层结构,这种特殊的三维多孔结构,与其他一维或二维的基底电极相比,具有更丰富的表面积,而且价格便宜,有利于工业大规模应用;该薄膜催化剂有望用于电解水制氢研究领域。

【技术实现步骤摘要】
一种硒化物薄膜修饰泡沫镍电极的制备方法及其应用
本专利技术属于环境工程领域,具体涉及硒化物薄膜的制备方法,尤其涉及一种用于催化水分解氧析出的硒化物薄膜修饰泡沫镍电极的制备方法及其应用。
技术介绍
随着全球经济的发展,人们对煤炭、石油和天然气等自然资源的消耗日益剧增,氢燃料作为一种清洁、安全和高效的可持续性新能源,越来越多地受到人们关注。氢燃料的最大来源是水,从中提取出的氢能是地球化石燃料热量的9000倍。由于电解水制氢可以将可再生能源如太阳能、风能和潮汐能等以氢为媒介进行存储和转化;因此,电解水制氢已经逐渐开始取代传统蒸汽重整制氢的方法,这一方面消除了对天然气的依赖,另一方面又增加了氢气的纯度,可以降低成本。电解水制氢包括两个重要的基本反应,即阴极水的还原氢析出和阳极水的氧化氧析出。其中阳极氧析出反应的动力学比较缓慢,需要提供高于理论水分解电压的过电压来加速两极反应,导致严重的电能损失,降低了能量转化效率,从而严重制约了电解水制氢的发展。一些贵金属和贵金属氧化物如Pt、RuO2和IrO2等能够有效催化水分解氧析出反应,降低反应过电压,提高反应速率,但是其价格昂贵而且储量有限,成为制约电解水规模化工业应用的制约因素之一。因此理性的设计新型高性能、低成本的阳极氧析出催化材料成为了电解水制氢领域的一个热点,对于发展及促进电解水的工业化应用具有重要意义。近年来,过渡金属硫族化合物因其丰富的电子结构,在光电催化领域具有广阔的应用前景。最近,研究人员发现,一些基于过渡金属硫族化合物的非贵金属材料有望为工业化电解水提供高效、稳定而廉价的水氧化反应电催化剂。俞书宏教授课题组利用CoSe2内在的催化氧析出性质以及耦合复合材料间的协同增强效应,通过化学嫁接手段,设计了一系列高效稳定的CoSe2基复合材料催化剂如Mn3O4/CoSe2、CeO2/CoSe2和MnS2/CoSe2等(1.Gao,M.R;Xu,Y.F;Jiang,Jetal.,J.Am.Chem.Soc.,2012,134,2930;2.Zheng,Y.R;Gao,M.R;Gao,Qetal.,Small,2015,11,182;3.Gao,M.R;Liang,J.X;Zheng,Y.Retal.,NatureCommun.,2015,6,69)。谢毅教授课题组通过化学剥离手段设计了CoSe2纳米带催化剂(Liu,Y.W.;Cheng,H;Lyu,M.J.;FanS.Jetal.,J.Am.Chem.Soc.,2014,136,15670),该催化剂展现出高效稳定的催化氧析出性能。然而,上述催化剂的制备存在以下问题:(1)需要使用有机溶剂,而且过程较繁琐,耗时长,成本高,难以实现工业化生产;(2)上述催化剂均为粉末态物质,在实现其催化水分解性能时,需要借助聚合物粘合剂如Nafion固定到导电基底上,由于非导电物质Nafion的额外加入而导致其催化阳极氧析出活性的降低。因此,如何采用一种简便温和的方法制备出无粘合剂、且具有高导电性的薄膜催化剂成为电解水工业化应用亟待解决的关键问题之一。电化学沉积是一种非常有效的制备功能薄膜催化剂的方法,该方法不但设备简单,操作方便;而且反应条件温和,能耗小;此外,该方法能够精确控制催化剂成核和生长过程,以及其纯度和形貌结构等,因此非常适合于大面积和连续化制备性能可控的高质量薄膜。同时,这样制备的薄膜催化剂直接生长在导电基底上,易于工业化放大。最近,有文献报道了采用电化学沉积技术在石墨盘电极上制备出硒化钴薄膜(Zhang,H.X;Yang,B;Wu,X.L;Li,Z.Jetal,ACSAppl.Mater.Interfaces,2015,7,1722)的方法;该研究发现,在300℃惰性气氛下经过高温煅烧处理后,可以得到多晶态的硒化钴薄膜;而且该薄膜展现出了较好的催化水分解阴极氢析出性能。然而,该方法存在以下问题:(1)石墨盘基底电极属于二维平板电极,通常仅仅只有最外层与电解质接触,限制了活性位点数量;(2)高电流密度或大量气泡析出的情况下,气泡容易堆积在平板电极上,导致显著的气泡过电势,进而增加能耗;(3)该薄膜催化剂制备过程中需要高温惰性气氛下进行煅烧,耗时长,增加能耗,不易实现工业化。
技术实现思路
针对上述问题,本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于催化水分解氧析出的硒化物薄膜的制备方法。该方法不但制备方法简单,易于操作,而且修饰条件温和,所需原料易得,易于实现工业化的应用。本专利技术的技术方案是:采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,将泡沫镍电极置于电沉积溶液中,室温下在适当的电位下进行恒电位沉积一定时间,水洗,得到生长在泡沫镍电极上的硒化物薄膜;所述电沉积溶液中包括以下三种组分:1~100mM的过渡金属氯化物、1~100mM的硫族氧化物以及10~100mM的支持电解质。其中,所述恒电位沉积的电位为-0.6~-0.8V(相对于饱和甘汞参比电极),所述恒电位沉积的时间为5~40min;所述电沉积溶液中过渡金属氯化物的浓度为5~50mM,硫族氧化物的浓度为5~50mM,电解质的浓度为25~75mM;所述电沉积溶液中过渡金属氯化物和硫族氧化物的摩尔浓度比为1:0.5~2。优选的是,所述恒电位沉积的电位为-0.7V(相对于饱和甘汞参比电极),所述恒电位沉积的时间为15~25min;所述电沉积溶液中过渡金属氯化物的浓度为10~20mM,硫族氧化物的浓度为10~20mM,支持电解质的浓度为40~60mM;所述过渡金属氯化物和硫族氧化物的摩尔浓度比为1:1~2。其中,所述制备方法还包括泡沫镍电极的预处理过程,所述预处理过程为将泡沫镍基底电极表面化处理,以得到干净新鲜的金属表面。具体过程为:将泡沫镍电极放入6M盐酸溶液中超声20min,超纯水清洗;然后放入无水乙醇中超声15min,清洗;空气中自然晾干,备用。采用泡沫镍电极制备硒化钴薄膜的制备方法,包括以下步骤:(1)将泡沫镍电极在浓度为6M的盐酸溶液、无水乙醇溶液中分别超声15-25min;清洗后晾干,待用;(2)将步骤(1)得到的泡沫镍电极置于电沉积溶液中,所述电沉积溶液中包括以下组分:5~50mM的六水合氯化钴、5~50mM的二氧化硒和25~75mM的氯化钾,所述六水合氯化钴和二氧化硒的摩尔浓度比为1:0.5~2;铂棒作对电极,饱和甘汞电极为参比电极,室温下在-0.6~-0.8V的电位下进行恒电位沉积5-40min,水洗,氮气吹干,得到生长在泡沫镍电极上的硒化钴薄膜,即硒化钴薄膜修饰泡沫镍电极。优选的是,所述恒电位沉积的电位为-0.7V,所述恒电位沉积的时间为15~25min;所述电沉积溶液中六水合氯化钴的浓度为10~20mM,二氧化硒的浓度为10~20mM,氯化钾的浓度为40~60mM;所述六水合氯化钴和二氧化硒的摩尔浓度比为1:1~2。更优选的是,所述恒电位沉积的时间为20min;所述电沉积溶液中六水合氯化钴的浓度为10mM,二氧化硒的浓度为10mM,氯化钾的浓度为50mM;所述六水合氯化钴和二氧化硒的摩尔浓度比为1:1。采用泡沫镍电极制备硒化镍薄膜的制备方法,包括以下步骤:(1)将泡沫镍电极在浓度为6M的盐酸溶液、无水乙醇溶液中分别超声15-25min;清洗后本文档来自技高网
...

【技术保护点】
采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,其特征在于:将泡沫镍电极置于电沉积溶液中,室温下在适当的电位下进行恒电位沉积一定时间,水洗,得到生长在泡沫镍电极上的硒化物薄膜;所述电沉积溶液中包括以下三种组分:1~100mM的过渡金属氯化物、1~100mM的硫族氧化物以及10~100mM的支持电解质。

【技术特征摘要】
1.采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,其特征在于:将泡沫镍电极置于电沉积溶液中,室温下在适当的电位下进行恒电位沉积一定时间,水洗,得到生长在泡沫镍电极上的硒化物薄膜;所述电沉积溶液中包括以下三种组分:1~100mM的过渡金属氯化物、1~100mM的硫族氧化物以及10~100mM的支持电解质。2.根据权利要求1所述的采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,其特征在于:所述恒电位沉积的电位为-0.6~-0.8V,所述恒电位沉积的时间为5~40min;所述电沉积溶液中过渡金属氯化物的浓度为5~50mM,硫族氧化物的浓度为5~50mM,支持电解质的浓度为25~75mM;所述电沉积溶液中过渡金属氯化物和硫族氧化物的摩尔浓度比为1:0.5~2。3.根据权利要求2所述的采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,其特征在于:所述恒电位沉积的电位为-0.7V,所述恒电位沉积的时间为15~25min;所述电沉积溶液中过渡金属氯化物的浓度为10~20mM,硫族氧化物的浓度为10~20mM,支持电解质的浓度为40~60mM;所述过渡金属氯化物和硫族氧化物的摩尔浓度比为1:1~2。4.根据权利要求1所述的采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:①将泡沫镍电极在浓度为6M的盐酸溶液、无水乙醇中分别超声15-25min;清洗后晾干,待用;②将步骤①得到的泡沫镍电极置于电沉积溶液中,所述电沉积溶液中包括以下组分:5~50mM的六水合氯化钴、5~50mM的二氧化硒和25~75mM的氯化钾,所述六水合氯化钴和二氧化硒的摩尔浓度比为1:0.5~2;室温下在-0.6~-0.8V的电位下进行恒电位沉积5-40min,水洗,得到生长在泡沫镍电极上的硒化钴薄膜。5.根据权利要求4所述的采用泡沫镍电极制备硒化物薄膜的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:所述恒电位沉积的电位为-0.7V,所述恒电位沉积的时间为15~25min;所述电沉积溶液中六水合氯化钴的浓度为10~20mM,二氧化硒的浓度为10~20mM,氯化钾的浓度为40~60mM;所述六水合氯化钴和二氧化硒...

【专利技术属性】
技术研发人员:黄明华徐秀娟陈宗坤王昕
申请(专利权)人:中国海洋大学
类型:发明
国别省市:山东,37

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1