外加磁场的电解水反应装置及其增强电催化性能的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种外加磁场的电解水反应装置及其增强电催化性能的方法，属于电解水催化和电解水制氢的新能源技术领域。通过在电解槽下方设置底座，在底座上设置永磁体底座A、B和支撑盘、旋转盘，通过置于底座中的螺杆控制永磁体底座B的移动，同时转动旋转盘来调整置于其上的电解槽中工作电极与磁场的夹角，从而控制磁场方向；另外，本发明专利技术通过电化学工作站测量电解水的析氧、析氢反应的过电位及塔菲尔斜率来表征电催化性能。本发明专利技术实现利用外加磁场来增强催化剂在电解水过程中的催化性能，同时避免结构调控、形貌构筑、界面优化等复杂的材料制备过程，达到有效节能和长时间稳定工作的目的。

【技术实现步骤摘要】
外加磁场的电解水反应装置及其增强电催化性能的方法
本专利技术属于电解水催化和电解水制氢的新能源
，特别是涉及一种外加磁场的电解水反应装置及其增强电催化性能的方法。
技术介绍
环境污染的加重和化石燃料的减少使人类面临严重的资源、环境及能源危机。各类新能源和可再生能源的发展一直是世界各国高度重视的问题。其中，氢能因其原料氢气来源广、清洁无污染和能量密度高等优点而被公认为是最有潜力的可再生新能源之一。现有的制氢技术主要有化石燃料制氢、核能制氢、电解水制氢、生物质制氢和光催化制氢等。相对于其他制氢技术，电解水制氢工艺简单可靠、能循环利用，是一种比较有希望实现可持续发展的途径。电解水的过程包括两个半反应，即阴极析氢反应(HER)与阳极析氧反应(OER)，二者均需要较高的过电位才能进行。缓慢的反应动力学过程限制着整个电解水反应的速率，因此迫切需要开发高效的电催化剂。贵金属及其氧化物催化剂可以作为电解水催化剂高效的获取纯净氢气，但是贵金属资源稀缺、价格高昂限制了其推广和应用。研究者一直在尝试利用廉价的金属及氧化物作为催化剂替代贵金属催化剂，但其性能远差于贵金属及其氧化物催化剂，因此探索改善非贵金属及其氧化物材料的催化性能是提高电催化解水能力的重要途径。目前改善催化剂性能的方法较多，主要可分为三个种途径：电子结构调控、形貌构筑和电极界面优化，这些方法受到了研究者的广泛青睐。不过以上都是从材料内在本质入手，通过增加电解液中离子和催化剂的接触面积、活性位点数量、材料导电性来达到降低过电位、加快电子转移的目的，其性能提高程度十分有限且制备流程大多复杂繁琐、形貌结构不易控制等，从而不利于工业化使用，所制备材料的电催化性能与贵金属及其氧化物相比仍有较大的差距。电催化过程实际上一种涉及电子产生和转移的过程。在外加磁场作用下物质中电子状态以及电子转移过程都会受到影响，从而对电催化过程产生影响，因此利用外加磁场来对涉及电子产生和转移的过程进行调控是一种新的有效的方法。现有技术中，在光催化领域，有利用外磁场改变了α-Fe2O3/rGO光催化剂电子自旋状态，从而有效地提高了其光催化剂降解有机物的能力(LiJ，PeiQandetal，ACSNano，2018，12，3351-3359)，但该方法是利用磁场增强光催化性能，没有涉及致电催化性能。另外，也存在将Co3O4/ECNFs作为阴极催化剂，借助磁场加速了氧还原过程中的四电子转移步骤(ZengZ，ChemSusChem，2018，11，580-588)，但该方法使用的磁场为亥姆霍兹线圈提供，只能提供很小的磁场，且只是证实磁场对电子转移过程的影响，且针对的是燃料电池领域中氧还原过程，而没有涉及电解水领域的析氧和析氢性能。因此亟需一种外加磁场增强非贵金属氧化物电催化性能的方法，以实现利用外加磁场来增强非贵金属氧化物在电解水过程中的催化性能，同时实现避免结构调控、形貌构筑、界面优化等复杂的材料制备过程，达到有效节能和长时间稳定工作的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种外加磁场的电解水反应装置及其增强电催化性能的方法，以实现利用外加磁场来增强催化剂在电解水过程中的催化性能，同时避免结构调控、形貌构筑、界面优化等复杂的材料制备过程，达到有效节能和长时间稳定工作的目的。本专利技术所采用的技术方案是，提供一种外加磁场的电解水反应装置，电解槽置于旋转盘上，所述旋转盘通过中心轴与支撑盘配合套接，所述支撑盘与带凹槽的底座配合套接，所述底座的一端固定连接永磁体底座A，另一端配合套接永磁体底座B；所述永磁体底座B下端通过螺纹孔与螺杆配合连接，所述螺杆穿过底座并垂直于永磁体底座B，所述永磁体底座B平行于永磁体底座A；永磁体A、永磁体B分别放置于永磁体底座A和永磁体底座B上。进一步地，所述电解槽中平行设置有工作电极、对比电极和对电极，所述工作电极、对比电极、对电极均与电化学工作站电性连接。本文专利技术还提供了一种采用外加磁场的电解水反应装置增强电催化性能的方法，包括以下步骤：S1，将催化剂直接生长在导电金属基底上或将已制得的催化剂粉末涂覆于金属片或玻碳电极上作为工作电极；所述工作电极和对电极、参比电极置于盛有碱性电解液的电解槽中；S2，旋转螺杆调节永磁体底座B到永磁体底座A的距离，移动支撑盘使电解槽始终位于永磁体A和永磁体B的中间位置，改变电解槽到永磁体A、永磁体B的距离从而改变磁场的大小；当永磁体A和永磁体B保持固定时，磁场大小固定；S3，转动旋转盘，置于旋转盘上的电解槽同时转动，进而改变工作电极表面法线方向与磁场方向的夹角，实现对磁场方向的调控；S4，利用电化学工作站测量催化剂在不同磁场大小和磁场方向的条件下，电解水反应的电催化性能。进一步地，所述S1中的催化剂为非贵金属氧化物；导电金属基底为泡沫Ni或泡沫Cu导电材料；对电极为Pt片，参比电极为Ag/AgCl电极；碱性电解液为1MKOH溶液。进一步地，所述非贵金属氧化物包括但不限于含有铁、钴、镍、锰的一种或多种元素构成的氧化物或其混合物。进一步地，所述S4中的电化学工作站测量电解水的析氧、析氢反应的过电位及塔菲尔斜率。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术可有效提高催化剂在电解水过程中的催化性能，表现为降低阴极/阳极反应过电位和加快电子转移。2.本专利技术能够使电解水催化剂的性能得到大幅度的提升，达到甚至优于商业RuO2的性能。3.本专利技术简单易行，避免了诸如结构调控、形貌构筑、界面优化等复杂的材料制备过程，只需要在原来电解水装置的基础上添加一个磁场即可，可以满足材料研发与工程应用的要求。4.本专利技术利用永磁体(磁铁)提供直流磁场，其中磁场的强度和方向可分别通过转动装置螺杆控制永磁材料的距离和旋转装置改变永磁材料相对于工作电极的方位来进行调节。5.本专利技术利用永磁体提供直流磁场，而不需要外加能量，相比于其他磁场产生方式可以达到有效节能和长时间稳定工作的作用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术利用外加磁场增强电催化性能的反应装置图；图2是本专利技术实施例1中不同磁场强度下Co3O4析氧催化剂的线性扫描伏安(LSV)曲线图；图3是本专利技术实施例1中不同磁场强度下Co3O4析氧催化剂的塔菲尔(Tafel)曲线图；图4是本专利技术实施例4中不同磁场强度下Co3O4析氢催化剂的线性扫描伏安(LSV)曲线图。图中，1.电化学工作站，2.电解槽，3.工作电极，4.参比电极，5.对电极，6.永磁体A，7.永磁体B，8.支撑盘，9.螺杆，10.底座，11.永磁体底座A，12.永磁体底座B，13.旋转盘，14.电极夹，15.导线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案主要为提供一种外加磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外加磁场的电解水反应装置，其特征在于，电解槽(2)置于旋转盘(13)上，所述旋转盘(13)通过中心轴与支撑盘(8)配合套接，所述支撑盘(8)与带凹槽的底座(10)配合套接，所述底座(10)的一端固定连接永磁体底座A(11)，另一端配合套接永磁体底座B(12)；所述永磁体底座B(12)下端通过螺纹孔与螺杆(9)配合连接，所述螺杆(9)穿过底座(10)并垂直于永磁体底座B(12)，所述永磁体底座B(12)平行于永磁体底座A(11)；永磁体A(6)、永磁体B(7)分别放置于永磁体底座A(11)和永磁体底座B(12)上。

【技术特征摘要】
1.一种外加磁场的电解水反应装置，其特征在于，电解槽(2)置于旋转盘(13)上，所述旋转盘(13)通过中心轴与支撑盘(8)配合套接，所述支撑盘(8)与带凹槽的底座(10)配合套接，所述底座(10)的一端固定连接永磁体底座A(11)，另一端配合套接永磁体底座B(12)；所述永磁体底座B(12)下端通过螺纹孔与螺杆(9)配合连接，所述螺杆(9)穿过底座(10)并垂直于永磁体底座B(12)，所述永磁体底座B(12)平行于永磁体底座A(11)；永磁体A(6)、永磁体B(7)分别放置于永磁体底座A(11)和永磁体底座B(12)上。2.根据权利要求1所述的一种外加磁场的电解水反应装置，其特征在于，所述电解槽(2)中平行设置有工作电极(3)、对比电极(4)和对电极(5)，所述工作电极(3)、对比电极(4)、对电极(5)均与电化学工作站(1)电性连接。3.一种采用外加磁场的电解水反应装置增强电催化性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将催化剂直接生长在导电金属基底上或将已制得的催化剂粉末涂覆于金属片或玻碳电极上作为工作电极(3)；所述工作电极(3)和对电极(5)、参比电极(4)置于盛有碱性电解液的电解槽(2)中；S2，旋转螺杆(9)调节永磁体底座B(12)到永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭坤，李依依，张磊，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43