电解水Ag-Pi析氧催化剂膜材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种温和条件制备电解水析氧催化剂Ag‑Pi膜材料的方法，常温、常压、弱碱性（pH=12.4）制备条件，工艺操作简单，反应过程易于控制的电化学方法原位制备催化剂Ag‑Pi膜材料的技术方案。本发明专利技术温和条件通过电化学合成方法原位制备了近于非晶态的Ag‑Pi膜材料催化剂，Ag‑Pi催化剂原位析氧速率为11.1μmol/h；通过电量为15C/cm2的Ag‑Pi析氧催化剂，电流密度为1mA/cm2时所需析氧过电位为457mV。本发明专利技术提出了温和条件通过电化学沉积法原位制备非晶态Ag基析氧催化剂膜材料的途径，开辟了温和条件通过电化学沉积法制备非晶态Ag基析氧催化剂膜材料的研究领域。

【技术实现步骤摘要】
电解水Ag-Pi析氧催化剂膜材料的制备方法
本专利技术属于无机功能材料及电化学
，涉及原位制备电解水析氧催化剂Ag-Pi膜材料的方法，具体为一种在无机盐中用电化学方法制备析氧催化Ag-Pi膜材料方法的技术方案。
技术介绍
随着化石能源消耗和温室效应恶化，高效利用自然界太阳能、风能、潮汐能等可再生能源成为全球关注的焦点。以可再生能源为驱动的电解水制氢技术可以解决可再生能源不连续、不稳定、随气候变化等弱点，将其转化为无污染、能量密度高、易运输、可储存的氢能，从而实现可再生能源高效利用。传统的强酸、强碱环境电解水技术成本昂贵，易腐蚀，造成了能源的极大浪费。因此，探索温和条件下（中性、弱酸性及弱碱性）电解水制氢技术意义重大。电解水制氢技术由来已久，但始终没能工业化应用，其主要原因是传统的电解水制氢技术能耗高而效率低。电解水制氢技术包括阴极反应和阳极反应，而阳极析氧半反应涉及水分子的裂解及电子的转移，决定了电解水制氢的能耗和效率。2008年Nocera等人发展了一种新型的原位阳极析氧催化制氢技术[Science.2008,321:1072]，该技术能耗低效率高，并具有原位自修复的特性性能非常稳定。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。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制氢技术至关重要。Ag基阳极析氧催化剂具有较低的析氧过电位和易于调变的晶体结构，目前已经开发了Ag-Bi和Ag-Ci析氧催化剂[InternationalJournalofHydrogenEnergy.2011,36:7374；InternationalJournalofHydrogenEnergy.2013;38:5251]。目前适于制备Ag基析氧催化的电解质体系为硼酸盐和碳酸盐，本专利技术以磷酸盐为电解质体系制备体系，磷酸盐电解质具有良好的缓冲性能，作为质子接受体，能快速促进质子转移，进而有效的促进质子耦合电子转移过程，同时作为催化剂的配体，通过控制原位制备条件开发了一种性能优异的Ag-Pi析氧催化剂。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种制备析氧催化剂Ag-Pi膜材料的方法，在近中性磷酸盐体系无法制备Ag基析氧催化剂，扩展磷酸盐的pH值范围，探索适宜于Ag-Pi析氧催化剂的制备体系。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种电解水Ag-Pi析氧催化剂膜材料的制备方法，包括如下步骤：（1）、导电玻璃基底的制备将厚度≤10mm，表面电阻≤10Ω/sq的导电玻璃裁成玻片后，清洗备用；（2）、硝酸银溶液的配置称取硝酸银固体，配制0.02~1.0mol/L浓度的硝酸银溶液，备用；（3）、磷酸盐电解质的配置称取纯磷酸盐固体两份，分别放入以微孔陶瓷玻璃为隔膜的H型电解槽中的阳极室、阴极室中，阳极室和阴极室分别加定量超纯水，使磷酸盐溶解，其中阴极室磷酸盐浓度0.1mol/L（磷酸盐体系pH=12.4）；然后，用移液管移取定量上述（2）配置的硝酸银溶液加入阳极室，使得阳极室磷酸盐浓度0.1mol/L（磷酸盐体系pH=12.4）；（4）、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℃温度的恒温水浴中，采用控制电位电解库仑法，电解电压为1.3~2.0Vvs.NHE，通过导电玻璃表面5~30库仑的电量时停止，获得析氧催化剂Ag-Pi膜材料。本专利技术所述的制备析氧催化剂Ag-Pi膜材料的方法与现有技术相比具有如下优点：1、本方法制备条件温和（常温，常压），方法简单、易于控制。2、本方法制备析氧催化剂Ag-Pi膜材料，通过原位制备，合成Ag-Pi膜材料伴随着大量氢气和氧气析出，具有很好的析氧性能，其平均析氧速率最佳为11.1μmol/h，在电流密度为1mA/cm2的过电位为457.0mV。3、本方法制备Ag-Pi膜材料趋于无定型结构，有别于其它Ag基析氧催化剂，开辟了磷酸盐体系通过电化学沉积法制备Ag基无定型膜材料的研究领域。4、本方法使用磷酸盐电解质，具备较宽pH缓冲特性，作为催化剂的配体的同时为析氧催化反应中质子耦合电子转移（PCET）过程提供质子受体。3、本专利技术首次提出了磷酸盐体系原位制备趋于非晶Ag基析氧催化剂，该途径增加了制备非晶膜材料的方法。总之，本专利技术创新地采用高pH值磷酸盐体系（pH=12.4）原位制备析氧催化剂Ag-Pi膜材料，磷酸盐作为制备催化剂的必要配体，同时也是析氧催化过程的质子受体。在原位体系中Ag-Pi析氧催化剂的析氧速率可达到11.1μmol/h，析氧过电位457mV。所制备Ag-Pi催化剂趋于非晶结构，有别于已报道的通过电化学方法制备的晶型银基析氧催化剂。附图说明图1表示实施例1所得产物的宏观形貌图（扫描电镜照片10μm）。图2表示实施例1所得产物的宏观形貌图（扫描电镜照片2μm）。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施例进行详细说明。实施例1一种电解水Ag-Pi析氧催化剂膜材料的制备方法，包括如下步骤：（1）、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的玻片，将裁好的玻片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。（2）、称取0.34g分析纯硝酸银固体，配制100mL0.02mol/L硝酸银溶液。（3）、称取0.66g分析纯无水磷酸三钠两份，分别放入H型电解槽阳、阴极室，分别加入超纯水38mL、40mL。用移液管移取2mL0.02mol/L硝酸银溶液加入阳极室，使其混合均匀。（4）、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1.3Vvs.NHE.直至通过ITO玻片的电量为15C/cm2时停止实验，获得析氧催化剂Ag-Pi膜材料。实施例2一种电解水Ag-Pi析氧催化剂膜材料的制备方法，包括如下步骤：（1）、将厚度为1.8mm，表面电阻为≤10Ω/sq规格的FTO导电玻璃裁成尺寸为1cm×5cm的玻片，将裁好的玻片依次在丙酮和无水乙醇中超声清洗5分钟，再将其用清水冲洗干净。（2）、称取0.34g分析纯硝酸银固体配制100mL0.02mol/L硝酸银溶液。（3）、称取0.66g分析纯无水磷酸三钠两份，分别放入H型电解槽阳、阴极室，分别加入超纯水38mL、40mL。用移液管移取2mL0.02mol/L硝酸银溶液加入阳极室，使其混合均匀。（4）、将H型电解槽固定于25℃恒温水浴中，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FTO玻片1cm×1cm部分与H型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，采用控制电位电解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电解水Ag‑P

【技术特征摘要】
1.一种电解水Ag-Pi析氧催化剂膜材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）、导电玻璃基底的制备将厚度≤10mm，表面电阻≤10Ω/sq的导电玻璃裁成玻片后，清洗后备用；（2）、硝酸银溶液的配置称取硝酸银固体，配制0.02~1.0mol/L浓度的硝酸银溶液，备用；（3）、磷酸盐电解质的配置称取纯磷酸盐固体两份，分别放入以微孔陶瓷玻璃为隔膜的H型电解槽中的阳极室、阴极室中，阳极室和阴极室分别加定量超纯水，使磷酸盐溶解，其中阴极室磷酸盐浓度0.1mol/L；然后，用移液管移取定量上述（2）配置的硝酸银溶液加入阳极室，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵强，郝根彦，李丹丹，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