一种电催化析氧电极及其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于环境水处理及电催化技术领域，提供了一种电催化析氧电极及其制备和应用。以三价铬基盐溶液为电解质溶液，以泡沫镍为阴极，以铁为阳极组成标准电极体系；将直流电的正极与阳极连接，负极与阴极连接，在电解质溶液中通入N

An electrocatalytic oxygen evolution electrode and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种电催化析氧电极及其制备和应用
本专利技术属于环境水处理及电催化
，具体涉及一种电催化析氧电极及其制备和应用。
技术介绍
水滑石是双层片状金属氢氧化物，目前合成水滑石的方法最常见的主要有两种：一种是氧化法，一种是共沉淀法。下面以Fe/Al-LDH(Fe/Al-双金属氢氧化物)为例对这两种方法进行简单说明。氧化法是在中性或碱性环境，有阴离子(SO42-、CO32-、Cl-等)存在的情况下，将氧化剂(O2、H2O2、K2MnO7等)按一定量加入到M2+溶液中，使其部分氧化得到水滑石。在制备FeAl-LDH时，首先在溶液里溶解一定量的FeSO4和Al2(SO4)3，它调节pH至中性，加入一定量的过氧化氢，使其充分反应，生成的沉淀即层间阴离子为硫酸根的FeAl-LDH。氧化法主要存在两个问题，一是氧化剂的强弱和用量会对水滑石的形成有一定影响；二是OH-/M2+和pH值也是影响水滑石的重要因素。由此可见，虽然氧化法制备水滑石的原理简单，但是在操作过程中氧化剂、pH值、氢氧化物的氧化程度难以控制，所以通常不用氧化法制备水滑石。共沉淀法是指在无氧条件下，向含有一定M2+、M3+比例的水中加入一定量的氢氧化钠慢速搅拌形成水滑石，其中含有特定的阴离子(SO42-、CO32-、Cl-等)。利用共沉淀法制备FeAl-LDH时，将一定比例的二价铁盐和三价铝盐溶解于去离子水中，用氢氧化钠调节pH至9-10左右，缓慢搅拌直至沉淀完全，所得沉淀即FexAly-LDH。综上，无论是氧化法和共沉淀法合成水滑石，不同的M2+/M3+和不同OH-的含量都会对水滑石的形成造成不同的影响，形成不同的产物。氢气是是一种可以代替化石能源的绿色环保可再生能源。电解水制氢是最有效的途径之一。但由于电解水动力学非常缓慢，其反应过电位较大，阳极的析氧半反应严重限制了阴极的析氢反应效率。因此，发展高效电催化氧气析出催化剂对推动能量储存与转换技术的商业化具有至关重要的作用。贵金属催化剂虽然具有良好的电催化析氧的催化性，但其催化成本高，并伴随稳定性差的特性。随着材料化学的不断发展，合成技术的不断创新，制备低成本的高效OER(氧析出反应)催化剂的实用化进程得到了大大加强。最新研究表明，层状双金属氧化物或氢氧化物在电催化制氧反应中表现出较高的活性和稳定性。层间可交换阴离子与层板间的正电荷相平衡，使催化剂呈现电中性，易于其负载在合适的金属基底上。但是传统负载在泡沫镍上层状双金属催化剂的制备一般采用溶剂热法，或旋涂、喷涂等方法，催化剂在载体表面分散不均、结合不牢，导致电荷传输受阻、容易脱落等，严重影响了电极的最终催化活性及寿命。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电催化析氧电极及其制备和应用，利用工业废水制备电催化OER电极材料，该材料具有优异的催化活性和稳定性。本专利技术提供了一种电催化析氧电极的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，以三价铬基盐溶液为电解质溶液，以泡沫镍为阴极，以铁为阳极组成标准电极体系；步骤2，将直流电的正极与阳极连接，将直流电的负极与阴极连接，在电解质溶液中通入N2一段时间后，停止通气，然后以恒电位或恒电流进行电解反应，至电解质溶液变为无色后，取出阴极，清洗干净，室温下干燥，得到电催化析氧电极。在本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，在电解质溶液中通入N2的时间为20min～30min。在本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，三价铬基盐含有铬基可溶性盐，铬基可溶性盐为氯化铬、硝酸铬或硫酸铬中的任意一种或几种。在本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，三价铬基盐中含有硫酸钠。在本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，铬基盐溶液中，硫酸钠的摩尔浓度为5mmol/L～10mmol/L，铬元素的摩尔浓度为100mmol/L～500mmol/L。在本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，电解反应时电流小于0.5mA/cm2。在本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，泡沫镍的纯度为99.99％，具有三维多孔结构，孔隙率约为95％。本专利技术还提供了一种电催化析氧电极，由电催化析氧电极的制备方法制备得到，其特征在于，电催化析氧电极的电极基底为泡沫镍，活性组分为铁铬水滑石，铁铬水滑石负载生长在泡沫镍上。本专利技术还提供了电催化析氧电极在电催化裂解水析氧中的应用，其特征在于，电催化析氧电极在碱性介质中作为阳极电解水产生氧气。在本专利技术提供的电催化析氧电极在电催化裂解水析氧中的应用中，还可以具有这样的特征：其中，碱性介质为氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液，浓度为0.1mol/L～10mol/L。专利技术的作用与效果根据本专利技术提供的电催化析氧电极的制备方法，以三价铬基盐溶液为电解质溶液，以泡沫镍为阴极，以铁为阳极组成标准电极体系；将直流电的正极与阳极连接，将直流电的负极与阴极连接，在电解质溶液中通入N2一段时间，停止通气后以恒电位或恒电流进行电解反应，得到电催化析氧电极。反应过程中，阳极铁溶解，在电场的作用下吸附到阴极附近，阴极还原水产生氢氧根营造碱性环境促使铁离子与溶液中的铬离子生成铁铬水滑石负载在泡沫镍上。随着电解的进行，多余的铬离子与游离在溶液中的铁离子直接结合生成铁铬水滑石，并以絮体的形式在水中沉降，直至溶液中铬离子完全被去除。由于采用电化学牺牲阳极法的方法一步合成，原料来源于工业废水，摒弃了传统的溶剂热或化学沉淀-旋涂等制备水滑石方法，不需要高温、高压等条件，因此该制备方法工艺简单，条件较温和，环境友好，适用于工业化电解水的应用。制备得到的电催化析氧电极的电极基底为泡沫镍，活性组分为负载生长在泡沫镍上的铁铬水滑石。将制备得到的电催化析氧电极用在电催化裂解水析氧中，由于利用的阴极还原产生的铁铬水滑石为三维片状结构，该结构拥有极大的电化学活性面积，大大增加了该电催化剂的析氧活性。并且，利用外加电场和阴极还原水产生的羟基营造碱性环境的作用，使得铁铬水滑石在泡沫镍基底上还原生长，保证了电荷传输效率和结构的稳定性，使得电极的最终催化活性增强，使用寿命增长。因此，制备得到的电催化析氧电极在碱性介质中表现出优异的析氧活性，电流密度为100mA/cm2能够达到290mV的过电势，能够代替贵金属促进碱性介质中电解水体系的发展。综上，本专利技术的实施例利用工业含铬废水制备电催化剂，反应条件温和、环境友好，制备方法简便。材料中Cr直接来源于工业废水中的三价Cr，在逐步合成材料过程中废水中的污染物Cr以絮凝沉降的方式降解。电化学牺牲阳极法生成的负载在泡沫镍上的铁铬水滑石纳米材料在电催化析氧反应中具有较好的发展前景。既解决了负载在泡沫镍上的层状双金属材料制备问题，又同时可100％降解工业含铬废水。该方法设计思路清晰、新颖，操作简便，并符合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电催化析氧电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，以三价铬基盐溶液为电解质溶液，以泡沫镍为阴极，以铁为阳极组成标准电极体系；/n步骤2，将直流电的正极与所述阳极连接，将所述直流电的负极与所述阴极连接，在所述电解质溶液中通入N

【技术特征摘要】
1.一种电催化析氧电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，以三价铬基盐溶液为电解质溶液，以泡沫镍为阴极，以铁为阳极组成标准电极体系；
步骤2，将直流电的正极与所述阳极连接，将所述直流电的负极与所述阴极连接，在所述电解质溶液中通入N2一段时间后，停止通气，然后以恒电位或恒电流进行电解反应，至所述电解质溶液变为无色后，取出所述阴极，清洗干净，室温下干燥，得到电催化析氧电极。


2.根据权利要求1所述的电催化析氧电极的制备方法，其特征在于：
其中，步骤2中，在所述电解质溶液中通入N2的时间为20min～30min。


3.根据权利要求1所述的电催化析氧电极的制备方法，其特征在于：
其中，所述三价铬基盐含有铬基可溶性盐，所述铬基可溶性盐为氯化铬、硝酸铬或硫酸铬中的任意一种或几种。


4.根据权利要求3所述的电催化析氧电极的制备方法，其特征在于：
其中，所述三价铬基盐中含有硫酸钠。


5.根据权利要求4所述的电催化析氧电极的制备方法，其特征在于：
其中，所述铬基盐溶液中，所述硫酸钠的摩尔浓度为5mmol/...

【专利技术属性】
技术研发人员：时鹏辉，严瑾，王梦媛，浩莹，亢美欢，杨玲霞，闵宇霖，范金辰，徐群杰，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31