一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法技术

本发明专利技术属于能源化工领域，具体涉及一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法。首先将铜片分别在丙酮、去离子水和无水乙醇中超声清洗以清除铜片表面的油污，然后将铜片在质量分数为2％的KHCO3水溶液中160℃水热处理10小时以改变铜片表面的结构和形貌，用作电解水制氢的电极时，水热处理后的铜片表现出起始电位低、析氢效率高的特点。本发明专利技术的主要特征是：用一种简单方便，环保无毒的方法实现了对铜片的表面改性，大幅提升了其作为电极用于电解水制氢时的性能，有望实现大规模廉价电解水制氢。

A method for enhancing hydrogen production by electrolysis water on copper sheet surface by hydrothermal treatment

The invention belongs to the field of energy and chemical engineering, in particular to a method for enhancing the hydrogen production performance of electrolysis water by copper sheet surface hydrothermal treatment. First, the copper sheets were cleaned in acetone, deionized water and anhydrous ethanol to remove the oil from the surface of the copper sheet. Then the copper sheet was treated at 160 C for 10 hours in the KHCO3 water solution of the mass fraction of 2% to change the structure and morphology of the surface of the copper sheet. The copper sheet after the hydrothermal treatment was used as the electrode of the electrolytic water for hydrogen production. It has the characteristics of low starting potential and high efficiency of hydrogen evolution. The main feature of the invention is that the surface modification of copper sheet is realized with a simple and convenient and environmentally friendly method, and the performance of the electrode used as the electrode used for hydrogen production in electrolysis is greatly improved, and it is expected to realize the large-scale cheap hydrogen production by electrolysis.

【技术实现步骤摘要】
一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法
本专利技术属于能源化工领域，具体涉及一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法。这种方法具有设备简单、体系环保无毒、反应条件容易实现的特点，因而在金属表面处理、电极改性、电解水制氢气等领域有广泛的应用前景。
技术介绍
氢气是最重要的工业气体和特种气体之一，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、精细有机合成、航空航天、清洁能源等领域有着广泛的应用。电解水制氢可以简便高效的获得高纯度氢气，该工艺环保无毒，但需要消耗大量电能。为了能更好的促进电解水反应的发生，降低电能消耗，开发廉价且高效的电催化剂和电极是关键。研究表明，以Pt、Pd为主的贵金属及其合金是当前催化效果最好的析氢催化剂，但其造价昂贵。通过负载的方法分散贵金属可以提高其原子利用率，降低贵金属的用量，但是负载后的贵金属在使用时需要经过复杂的工艺制备成电极，其活性和稳定性受到制备工艺的很大限制，难以实现大规模工业应用。因此，寻找一种既具有催化作用，又可以通过简单加工就可以直接作为电极且廉价易得的电解水制氢材料意义重大。铜是人类最早使用的金属材料之一，储量丰富，冶炼技术成熟，具有良好的导电、导热和延展性，机械性能优良，已在电缆、电气、电子元件中得到广泛使用，但很少用作电解水制氢的电极，其根本原因是铜电极电解水制氢需要克服较高的过电势，造成大量电能损失。因此，在大幅降低铜电极电解水制氢过电势的同时，仍然保留铜本身良好的导电、导热和易机械加工的特性，这项技术具有非常广阔的市场应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法，其特征在于：首次直接以KHCO3水溶液为介质，通过水热处理的方法改变铜片表面的形貌，增强了铜片作为电极用于电解水制氢气时的性能。本专利技术的最大特点是方法简单、体系环保无毒、反应条件容易实现，其具体方法如下：(1)将铜片裁剪为3×4cm2的大小，放入500mL大烧杯中，先后加入丙酮、去离子水和无水乙醇进行超声清洗，每次超声清洗时间为10分钟；(2)用去离子水配置质量分数为2％的KHCO3水溶液，将铜片和质量分数为2％的KHCO3水溶液一起放入密闭的100mL水热釜中，在旋转烘箱中加热至160℃，恒温10小时；(3)反应结束后，打开烘箱门，使水热釜自然降至室温，将水热处理好的铜片取出，用去离子水洗净、晾干，然后裁剪成1×2cm2的铜片，用于电解水实验。与未经水热处理的铜片相比，经该方法水热处理后的铜片用作电解水制氢的电极时，起始电位明显降低，Tafel斜率明显减小，表现出优越的析氢性能，有望用于大规模电解水制氢。附图说明图1在质量分数为2％的KHCO3水溶液，质量分数为2％的NH4Cl水溶液，去离子水三种反应介质中160℃水热处理10小时后的铜片用于电解水制氢时的LSV曲线。图2不同温度下在质量分数为2％的KHCO3水溶液中水热处理10小时后的铜片用于电解水制氢时的LSV曲线。图3不同质量分数的KHCO3水溶液中160℃水热处理10小时后所得铜片用于电解水制氢时的LSV曲线。图4未水热处理的铜片(a)和水热处理后的铜片(b)表面的扫描电镜图。具体实施方式根据本专利技术所述技术方案采取的具体实施方式进行说明如下：实施例1第一步，铜片预处理：将铜片裁剪成3×4cm2大小，放入500mL的大烧杯中，先后加入丙酮、去离子水和无水乙醇进行超声清洗，每次超声清洗时间为10分钟。第二步，对预处理后的铜片进行水热处理：用去离子水和分析纯的KHCO3配制质量分数为2％的KHCO3水溶液。用去离子水和分析纯的NH4Cl配制质量分数为2％的NH4Cl水溶液。将预处理后的铜片放入3个带有聚四氟乙烯内衬(100mL)的不锈钢水热釜中，向3个水热釜中分别加入70mL质量分数为2％的KHCO3水溶液，70mL去离子水，70mL质量分数为2％的NH4Cl水溶液，拧紧水热釜盖，在常温下放入旋转烘箱，设定旋转烘箱的转速为2转/秒。打开加热和旋转开关，待温度达到160℃时开始计时，10小时后停止加热，停止旋转，打开烘箱门，使水热釜自然降温，待温度降到室温后将反应釜打开，取出水热处理好的铜片并用蒸馏水洗净、晾干，然后裁剪成1×2cm2大小备用。第三步，测试水热处理后的铜片用作电解水制氢电极的性能：以1×2cm2水热处理后的铜片为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，石墨棒为对电极，以0.5mol/L的H2SO4溶液为电解液，组装成电解池。首先向电解液中通入氩气30分钟以排出溶液中溶解的空气，与此同时打开电化学工作站预热30分钟；然后调节电化学工作站至线性扫描伏安曲线(LSV)扫描模式，进行相关参数设置：扫描电压范围为-0.6～0V(相对于标准氢电极)，扫描速率为0.005V/s，取样间隔为0.001V，仪器精度为0.01A/V；最后将电解池中的各个电极通过电极夹与电化学工作站对应的通道进行连接，开始LSV扫描，在此过程中仍然持续不断向电解液中通入氩气，多次执行LSV扫描直到前后两次得到的LSV曲线不变为止，保存所有原始数据。对水热处理后铜片的性能测试结果进行分析：根据第三步保存的原始数据用作出铜片作为电极电解水制氢时的电压(X轴)与电流(Y轴)的关系曲线，如图1所示。从图1中可以看出，与2％的NH4Cl水溶液和去离子H2O相比，经质量分数为2％的KHCO3水溶液水热处理后的铜片具有最低的起始电位，且在相同电压下具有最大的电流密度，说明经质量分数为2％的KHCO3水溶液水热处理后的铜片用作电解水制氢具有最好的电化学性能。实施例2第一步，对铜片进行预处理，方法同实施例1。第二步，对预处理后的铜片进行水热处理：将预处理后的铜片放入5个带有聚四氟乙烯内衬(100mL)的不锈钢水热釜中，向5个水热釜中各自加入70mL质量分数为2％的KHCO3水溶液，拧紧水热釜盖，在常温下放入旋转烘箱，设定旋转烘箱的转速为2转/秒。将5个反应釜分别在100℃，120℃，140℃，160℃，180℃水热处理10小时，打开烘箱门，使水热釜自然降温，待温度降到室温后将反应釜打开，取出水热处理好的铜片并用蒸馏水洗净、晾干，然后裁剪成1×2cm2大小备用。第三步，测试水热处理后的铜片用作电解水制氢电极的性能，方法同实施例1。对水热处理后铜片的性能测试结果进行分析：根据第三步保存的原始数据，分别作出100℃，120℃，140℃，160℃，180℃五个温度下用质量分数为2％的KHCO3水溶液水热处理10小时后的铜片用于电解水制氢时所得到的电压(X轴)与电流(Y轴)的关系图，如图2所示。从图2中可以看出，在160℃条件下，经质量分数为2％的KHCO3水溶液水热处理后的铜片具有最低的起始电位，且在相同电压下具有最大的电流密度，电化学性能最优。实施例3第一步，对铜片进行预处理，方法同实施例1。第二步，对预处理后的铜片进行水热处理：用去离子水和分析纯的KHCO3配制质量分数为0.5％，1％，2％的KHCO3水溶液。将预处理后的铜片放入3个带有聚四氟乙烯内衬(100mL)的不锈钢水热釜中，向3个水热釜中分别加入70mL质量分数为0.5％，1.0％，2％的KHCO3水溶液，拧紧水热釜盖，在常温下放入旋转烘箱，设定旋转烘箱的转速为2转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法，其特征在于：首次直接以KHCO3水溶液为介质，通过水热处理的方法改变铜片表面的形貌，增强了铜片作为电极用于电解水制氢气的性能。本专利技术的最大特点是方法简单、体系环保无毒、反应条件容易实现，其具体方法如下：(1)将铜片裁剪为3×4cm2大小，放入500mL大烧杯中，先后加入丙酮、去离子水和无水乙醇进行超声清洗，每次超声清洗时间为10分钟；(2)用去离子水配置质量分数为2％的KHCO3水溶液，将铜片和质量分数为2％的KHCO3水溶液一起放入密闭的100mL水热釜中，在旋转烘箱中加热至160℃，恒温10小时；(3)反应结束后，打开烘箱门，使水热釜自然降至室温，将水热处理好的铜片取出，用去离子水洗净、晾干，然后裁剪成1×2cm2的铜片，用于电解水制氢实验。

【技术特征摘要】
1.一种铜片表面水热处理增强其电解水制氢性能的方法，其特征在于：首次直接以KHCO3水溶液为介质，通过水热处理的方法改变铜片表面的形貌，增强了铜片作为电极用于电解水制氢气的性能。本发明的最大特点是方法简单、体系环保无毒、反应条件容易实现，其具体方法如下：(1)将铜片裁剪为3×4cm2大小，放入500mL大烧杯中，先后加入丙酮、去离子水和无水乙醇进行超声清洗，每次超声清洗时间为10分钟；(2)用去离子水配置质量分数为2％的KHCO3水溶液，将铜片和质量分数为2％的KHCO3水溶液一起放入密闭的100mL水热釜中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁汇，吴明铂，崔珑耀，毛勤虎，王文行，杨中学，赵青山，吴文婷，李忠涛，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37