复合电极及其制备方法和用途以及电催化全解水装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种复合电极及其制备方法和用途以及电催化全解水装置，涉及全解水技术领域，复合电极包括：导电基体；第一活性材料层，所述第一活性材料层设置在所述导电基体的至少部分表面上，形成所述第一活性材料层的材料包括过渡金属磷化物；第二活性材料层，所述第二活性材料层设置在所述第一活性材料层的至少部分表面上，形成所述第二活性材料层的材料包括羟基氧化过渡金属。该复合电极的价格较低，利用该复合电极进行电催化全解水的效率高、稳定性强。

Composite electrode and its preparation method and application as well as electrocatalytic total water decomposition device

【技术实现步骤摘要】
复合电极及其制备方法和用途以及电催化全解水装置
本专利技术涉全解水
，尤其是涉及一种复合电极及其制备方法和用途以及电催化全解水装置。
技术介绍
目前，开发绿色、清洁、可再生的替代能源是缓解能源危机和解决环境问题的关键。在各种替代能源策略中，建立使用氢作为能量载体的能源基础设施，为人类根本性解决能源与环境等全球性问题提供了理想的替代能源方式。电解水技术历史悠久，是较为成熟的制氢工艺，具有原理简单、操作方便、产物纯度高、清洁无污染等优点。但电解水制氢工艺也存在能量消耗较大的缺陷，如何降低能耗成为电解水制氢工艺的研究重点。电催化全解水工艺的核心由阴极还原析氢反应(HER)以及阳极氧化析氧反应(OER)两个半反应构成。对于HER反应，Pt族金属具有低过电位和高稳定性，但因资源稀缺和成本过高而难于得到规模化应用。相比于HER反应，涉及四电子转移的OER反应动力学缓慢，由此引发的高析氧过电位是造成槽电压远高于理论水分解电压(1.23V)的主要原因，严重制约电催化全解水的效率。因而，开发廉价、高效和高稳定性的非贵金属HER及OER电催化剂成为电解水制氢技术的关键。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合电极，该复合电极的价格较低，利用该复合电极进行电催化全解水的效率高、稳定性强。本专利技术提供的复合电极包括：导电基体；第一活性材料层，所述第一活性材料层设置在所述导电基体的至少部分表面上，形成所述第一活性材料层的材料包括过渡金属磷化物；第二活性材料层，所述第二活性材料层设置在所述第一活性材料的至少部分表面上，形成所述第二活性材料层的材料包括羟基氧化过渡金属。进一步地，基于所述第一活性材料层和所述第二活性材料层的总质量，所述第二活性材料层的含量为1-10wt％，优选为5wt％。进一步地，所述过渡金属磷化物包括磷化镍、磷化铁以及磷化钴中的至少一种；优选地，所述羟基氧化过渡金属包括羟基氧化镍、羟基氧化钴以及羟基氧化铁中的至少一种；优选地，所述导电基体为三维网络结构；优选地，所述导电基体的材质包括铁、钴以及镍中的至少一种。进一步地，所述第一活性材料层包括球状结构、片层状结构以及多个间隔设置的柱状结构中的至少一种，优选包括多个间隔设置的柱状结构；优选地，任意相邻两个所述柱状结构之间的间隔为1-3nm，优选为2nm；优选地，所述柱状结构呈阵列式排布；优选地，所述柱状结构的轴线和与所述柱状结构接触的所述导电基体的表面相互垂直。进一步地，所述第一活性材料层原位生长在所述导电基体的表面上；优选地，所述第二活性材料层原位生长在所述第一活性材料层的至少部分表面上。一种前面所述的复合电极的制备方法，包括：在导电基体的至少部分表面上形成第一活性材料层，得到复合层；在所述第一活性材料层的至少部分表面的第二活性材料层，得到所述复合电极。进一步地，所述第一活性材料层通过第一原位生长在所述导电基体的表面上；优选的，所述第一原位生长包括：将磷源包覆在所述导电基体的表面之后进行焙烧处理；优选地，所述磷源包括红磷、三苯基膦、次磷酸钠、磷酸钠以及白磷中的至少一种；优选地，所述焙烧的温度为250-600℃，时间为2-5h；优选地，所述导电基体经过预处理，所述预处理包括：将所述导电基体置于活化溶液中进行超声处理；优选地，所述活化溶液包括丙酮、磷酸以及氢氧化钾中的至少一种；优选地，所述超声的时间为10-25min。进一步地，所述第二活性材料层通过第二原位生长在所述第一活性材料层的至少部分表面上；优选地，所述第二原位生长包括：以所述复合层作为正极，以导电基体作为负极，将所述正极的至少一部分和所述负极的至少一部分置于电解液中，在加热条件下对所述复合层进行阳极氧化处理；优选地，所述电解液包括氢氧化钾、氢氧化钠以及碳酸钠中的至少一种；优选地，所述加热的温度为25-65℃；优选地，所述阳极氧化的电压为1.3-2.0V，时间为1-20h。一种前面所述的复合电极在电催化全解水中的用途；优选的，所述电催化全解水的温度为25-65℃；优选地，所述电催化全解水采用的电解质包括碱性电解质；优选地，所述电解质包括氢氧化钾和/或氢氧化钠。一种电催化全解水装置，包括前面所述的复合电极。与现有技术相比，本专利技术至少可以取得以下有益效果：过渡金属磷化物是催化阴极析氢反应的理想催化剂，但在碱性条件下受制于水的电离控制步，设置在过渡金属磷化物表面的羟基氧化过渡金属有利于加速水的电离，从而助于电催化水产氢。同时羟基氧化过渡金属能够高效促进阳极析氧反应，因而，利用本专利技术的复合电极有利于实现电催化全解水，并且，由于过渡金属磷化物具有良好的导电性，可以弥补羟基氧化物导电性差、电子传输速率慢的缺陷，因此通过过渡金属磷化物以及羟基氧化过渡金属的协同作用，可以显著降低电催化全解水时的电压，从而节约能耗，适于工业化大规模应用；另外，在电催化产氧的过程中，第一活性材料层表面的羟基氧化过渡金属可以有效阻止第一活性材料层被氧化，从而使得复合电极的使用寿命较长，在较长的使用过程中均能保持较佳的稳定性，过渡金属磷化物的导电性能较佳，使得导电基体与过渡金属磷化物和羟基氧化过渡金属之间的电子传递效率较高，进而使得复合电极电催化全解水的能力较强。该复合电极可以在25-65℃条件下进行电催化全解水，在较高的电流密度下也能保持较佳的稳定性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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为本专利技术一个实施例中的导电基体和第一活性材料层的俯视图；图2为图1中沿a-a’方向的剖面图；图3为实施例1中复合层的SEM图；图4为实施例1中复合电极的SEM图；图5为实施例1中复合电极的TEM图；图6为实施例1中利用复合层作为电极进行电催化产氧的OER活性与复合电极的OER活性测试曲线；图7为对比例1中导电基体的扫描电镜图；图8为实施例11中复合电极的SEM图；图9为实施例12中复合电极的SEM图。图标：10-导电基体；20-第一活性材料层；21-柱状结构。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。在本专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种复合电极，该复合电极包括：导电基体；第一活性材料层，所述第一活性材料层设置在所述导电基体的至少部分表面上，形成所述第一活性材料层的材料包括过渡金属磷化物；第二活性材料层，所述第二活性材料层设置在所述第一活性材料层的至少部分表面上，形成所述第二活性材料层的材料包括羟基氧化过渡金属。需要说明的是，第一活性材料层设置在导电基体的至少部分表面上的含义可以为如下：第一活性材料层可以设置在导电基体的部分表面上，也可以设置在导电基体的全部表面上；所述第二活性材料层设置在所述第一活性材料层的至少部分表面上的含义可以如下：第二活性材料层可以包覆第一活性材料层的全部表面，也可以设置第一活性材料层的部分表面。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电极，其特征在于，包括：导电基体；第一活性材料层，所述第一活性材料层设置在所述导电基体的至少部分表面上，形成所述第一活性材料层的材料包括过渡金属磷化物；第二活性材料层，所述第二活性材料层设置在所述第一活性材料层的至少部分表面上，形成所述第二活性材料层的材料包括羟基氧化过渡金属。

【技术特征摘要】
1.一种复合电极，其特征在于，包括：导电基体；第一活性材料层，所述第一活性材料层设置在所述导电基体的至少部分表面上，形成所述第一活性材料层的材料包括过渡金属磷化物；第二活性材料层，所述第二活性材料层设置在所述第一活性材料层的至少部分表面上，形成所述第二活性材料层的材料包括羟基氧化过渡金属。2.根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于，基于所述第一活性材料层和所述第二活性材料层的总质量，所述第二活性材料层的含量为1-10wt％，优选为5wt％。3.根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于，所述过渡金属磷化物包括磷化镍、磷化铁以及磷化钴中的至少一种；优选地，所述羟基氧化过渡金属包括羟基氧化镍、羟基氧化钴以及羟基氧化铁中的至少一种；优选地，所述导电基体为三维网络结构；优选地，所述导电基体的材质包括铁、钴以及镍中的至少一种。4.根据权利要求1-3任一项所述的复合电极，其特征在于，所述第一活性材料层包括球状结构、片层状结构以及多个间隔设置的柱状结构中的至少一种，优选包括多个间隔设置的柱状结构；优选地，任意相邻两个所述柱状结构之间的间隔为1-3nm，优选为2nm；优选地，所述柱状结构呈阵列式排布；优选地，所述柱状结构的轴线和与所述柱状结构接触的所述导电基体的表面相互垂直。5.根据权利要求1所述的复合电极，其特征在于，所述第一活性材料层原位生长在所述导电基体的表面上；优选地，所述第二活性材料层原位生长在所述第一活性材料层的至少部分表面上。6.一种权利要求1-5任一项所述的复合电极的制备方法，其特征在于，包括：在导电基体的至少部分表面上形成第一活...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹吉军，潘轮，张香文，姚云朵，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12