一种电极及其制备方法、电解装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供了一种电极及其制备方法、电解装置，涉及电极材料技术领域，可提高催化转化反应中目标产物的法拉第效率。该电极的制备方法包括：对泡沫金属进行第一次热处理，以使所述泡沫金属表面形成金属氧化物纳米线层；对由还原剂、强碱性溶液和经过所述第一次热处理后的所述泡沫金属构成的反应体系进行加热处理，以使所述金属氧化物纳米线层表面的部分金属氧化物纳米线被还原为金属亚氧化物纳米线；将经过所述加热处理后的所述泡沫金属浸入贵金属化合物溶液中，以使所述贵金属化合物溶液与所述金属亚氧化物纳米线反应生成贵金属单质。用于该电极及包括该电极的电解装置的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种电极及其制备方法、电解装置
本专利技术涉及电催化
，尤其涉及一种电极的制备方法、电极及电解装置。
技术介绍
电催化还原技术的主要优点是：无需消耗化学试剂、多功能性、高能源效率、环境兼容性以及容易控制等。电催化还原技术中决定电催化活性高低的关键部件是工作电极，它是电化学催化系统的“心脏”。如在CO2的电催化还原中，电极材料对提高CO2催化转化效率至关重要。在现有电极材料中，具有微孔结构的碳基材料拥有较高的比表面积，但是对于电催化性能并没有明显提高；而且碳基材料存在制备步骤繁琐、工艺过程复杂、制备条件苛刻以及成本较高等问题，限制了其在电催化领域(尤其是二氧化碳电催化领域)的进一步应用。而铜基材料由于具有相对较好的电催化性能，特别是其具有廉价易得、工作温度范围宽、生产工艺成熟、对环境友好等特点，因此，目前制作电极时主要采用铜基材料。但是基于单纯铜基材料的电催化材料的电催化性能并不理想。为提高基于铜基材料的电催化材料的电催化性能，目前针对铜基材料的研究方向主要集中在两方面：一方面，通过提高铜基材料的比表面积，增加电催化反应中电极材料与电解液的接触面积，来提高其电催化性能。另一方面，利用贵金属纳米颗粒对铜基材料进行修饰。由于电极用于电催化反应中时，电催化反应产物吸附在电极表面会引起电极表面的污染和钝化，或因其长期使用，电极表面本身发生的物理和化学变化，会导致其催化活性、催化重现性和稳定性大大降低，利用贵金属纳米颗粒对铜基材料进行修饰可有效降低电极表面的污染和钝化，减小其表面的物理和化学变化。同时，贵金属纳米颗粒和铜基材料所产生的协同作用可进一步提高电极的电催化性能。利用贵金属纳米颗粒对铜基材料进行修饰，可得到具有高比表面积的多层次结构的材料。但是这样的材料不具备自支撑特性，所以在制作电极的过程中需要添加粘结剂和活性炭等辅助材料。这种制备方式对形成后的电极比表面有所影响，会降低电极中的活性材料与电解液的有效接触面积，并且还会导致形成的电极材料具有较大的接触电阻，使得采用现有技术的制备方法获得的上述电极应用于电催化反应中时，限制了催化反应中目标产物的法拉第效率的进一步提高。
技术实现思路
有鉴于此，为解决现有技术的问题，为克服上述现有技术中的缺陷，本专利技术的实施例提供一种电极及其制备方法、电解装置，采用该制备方法获得的电极具有自支撑性能和较大的比表面积，应用于电催化反应中可提高催化反应中目标产物的法拉第效率。为达到上述目的，本专利技术的实施例采用如下技术方案：一方面、本专利技术实施例提供了一种电极的制备方法，所述制备方法包括：对泡沫金属进行第一次热处理，以使所述泡沫金属表面形成金属氧化物纳米线层；对由还原剂、强碱性溶液和经过所述第一次热处理后的所述泡沫金属构成的反应体系进行加热处理，以使所述金属氧化物纳米线层表面的部分金属氧化物纳米线被还原为金属亚氧化物纳米线；将经过所述加热处理后的所述泡沫金属浸入贵金属化合物溶液中，以使所述贵金属化合物溶液与所述金属亚氧化物纳米线反应生成贵金属单质。可选的，所述制备方法还包括：在惰性气氛下，对形成有所述贵金属单质的所述泡沫金属进行第二次热处理，以使残留于表面的所述贵金属的化合物溶液中的化合物分解形成贵金属单质。可选的，所述第二次热处理的温度为700-1000℃，时间为5-20min。可选的，所述第一次热处理的温度为400-700℃，时间为0.5-3h。可选的，所述加热处理的温度为160-200℃，时间为3-12h。可选的，所述将经过所述加热处理后的所述泡沫金属浸入贵金属化合物溶液中的时间为1-6h。可选的，所述泡沫金属包括：泡沫铜或泡沫镍。可选的，所述贵金属的化合物溶液包括：金的化合物溶液或铂的化合物溶液。另一方面、本专利技术实施例还提供了一种电极，包括：由泡沫金属构成的支撑层；所述电极还包括：形成在所述支撑层表面的金属和氧的化合物纳米线层；形成在所述金属和氧的化合物纳米线层表面的贵金属单质。可选的，所述金属和氧的化合物纳米线层包括：金属氧化物纳米线层；或者，金属氧化物纳米线层和形成在所述金属氧化物纳米线层表面的金属亚氧化物纳米线层。可选的，所述泡沫金属包括：泡沫铜或泡沫镍。可选的，所述贵金属单质包括：金或铂。再一方面、本专利技术实施例还提供了一种电解装置，包括上述所述的电极。基于此，本专利技术实施例提供的上述电极的制备方法，以泡沫金属作为集流体和支撑体，通过采用高温预氧化、水热反应(示例的可以为溶剂热反应)以及氧化还原反应相结合的方式，得到一种三元复合材料，该三元复合材料包括泡沫金属、在泡沫金属逐层形成的金属和氧的化合物纳米线层、贵金属单质。其中，由于泡沫金属本身具有一定的自支撑特性，应用到电催化反应中时无需额外设置集流体或支撑体，其本身即可作为集流体和支撑体；并且，由于泡沫金属内部分布着大量孔洞或孔隙结构，具有较高的比表面积，不仅能够加速电化学催化过程中的电子收集和转移速率，还能够提高电极材料与电解液的接触面积和增加电解液的扩散速率，为电催化过程提供更多的活性位点，从而可提高电极的催化效率。而金属和氧的化合物纳米线层是利用预氧化反应自然生长在泡沫金属表面的，无需额外添加粘结剂等辅助材料，不会影响泡沫金属较大的比表面积。形成在上述复合材料表面的贵金属单质能够对泡沫金属的催化性能进行修饰，使得二者之间发生协同作用，进一步提高获得的上述复合电极应用于电催化反应中的目标产物的法拉第效率，即实际生成物与理论生成物的百分比。此外，本专利技术实施例提供的上述电极的制备方法，相对于现有的制备方法，制备工艺简单、流程较短、设备依赖性较低，更适用于工业化大规模生产。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为本专利技术实施例提供的一种电极的制备方法流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种电极的扫描电镜(ScanningElectronicMicroscopy，简称为SEM)照片；图3为本专利技术实施例提供的一种电极与泡沫铜的X射线衍射图谱(X-raydiffraction，简称为XRD)；图4为本专利技术实施例提供的一种电极应用于电催化反应中时在不同时间点的电催化效率。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。应当理解的是，本专利技术所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备即可，涉及到的溶液，除特别说明外，溶剂均为离子水。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。...

【技术保护点】
1.一种电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：/n对泡沫金属进行第一次热处理，以使所述泡沫金属表面形成金属氧化物纳米线层；/n对由还原剂、强碱性溶液和经过所述第一次热处理后的所述泡沫金属构成的反应体系进行加热处理，以使所述金属氧化物纳米线层表面的部分金属氧化物纳米线被还原为金属亚氧化物纳米线；/n将经过所述加热处理后的所述泡沫金属浸入贵金属化合物溶液中，以使所述贵金属化合物溶液与所述金属亚氧化物纳米线反应生成贵金属单质。/n

【技术特征摘要】
1.一种电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
对泡沫金属进行第一次热处理，以使所述泡沫金属表面形成金属氧化物纳米线层；
对由还原剂、强碱性溶液和经过所述第一次热处理后的所述泡沫金属构成的反应体系进行加热处理，以使所述金属氧化物纳米线层表面的部分金属氧化物纳米线被还原为金属亚氧化物纳米线；
将经过所述加热处理后的所述泡沫金属浸入贵金属化合物溶液中，以使所述贵金属化合物溶液与所述金属亚氧化物纳米线反应生成贵金属单质。


2.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在惰性气氛下，对形成有所述贵金属单质的所述泡沫金属进行第二次热处理，以使残留于表面的所述贵金属的化合物溶液中的化合物分解形成贵金属单质。


3.根据权利要求2所述的电极的制备方法，其特征在于，所述第二次热处理的温度为700-1000℃，时间为5-20min。


4.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于，所述第一次热处理的温度为400-700℃，时间为0.5-3h。


5.根据权利要求1所述的电极的制备方法，其特征在于，所述加热处理的温度为160-200℃，时间为3-12h。

【专利技术属性】
技术研发人员：王培侨，杨林月，
申请(专利权)人：新奥科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13