一种具有二级结构的多孔阵列电极及其制备方法和用途技术

本发明专利技术属于电解水技术领域，特别涉及一种具有二级结构的多孔阵列电极及其制备方法和用途。多孔阵列电极，包括：多孔导电基底；生长在所述多孔导电基底上的初级阵列结构；放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的次级纳米结构。本发明专利技术还公开了上述电极的制备方法和用途。本发明专利技术的多孔电极结构为首次得到，导电基底表面具有阵列化的二级结构，可以更加牢固的与导电基底结合，不易损坏脱落，还能够暴露更多的活性位点用于电化学反应，提高电化学反应效率，将其用作电解水析氢反应的阴极材料，可以得到更多纳米级氢气气泡。

A porous array electrode with secondary structure and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种具有二级结构的多孔阵列电极及其制备方法和用途
本专利技术属于电解水
，特别涉及一种具有二级结构的多孔阵列电极及其制备方法和用途。
技术介绍
氢气是自然界中最小、最简单的分子，随着科研人员的深入研究发现，氢气的选择性抗氧化作用对生命具有十分重要的意义。因此近年来，可以产生富氢水的富氢杯得到了极大的研究和开发应用，人们希望通过日常饮用含有纳米氢气泡的富氢水，清除体内多余的自由基，以此能够对衰老及多种慢性疾病有预防和治疗作用。但是大部分的富氢杯并不能有效提高富氢水的浓度，关键在于电解制氢的核心组件电极并不能有效的产生纳米气泡。在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现：在现有的研究中，李英杰等人([Li,Yingjie,Zhang,Haichuan,Xu,Tianhao,等.Under-WaterSuperaerophobicPine-ShapedPtNanoarrayElectrodeforUltrahigh-PerformanceHydrogenEvolution[J].AdvancedFunctionalMaterials,25(11):1737-1744，其学位论文为：新型纳米阵列电极的构建及其在气体参与的电催化反应中的应用[D]，李英杰，北京，北京化工大学，2017)通过在硝酸钾溶液中，以碳纸为对电极，通过电沉积法获得松枝状Pt纳米阵列(即初级结构为锥状，次级结构为锯齿状，见本专利图20和图21)可以有效的减小气泡脱离尺寸，但是其得到仍旧为微米级氢气气泡。经过科学研究，纳米级别的氢气气泡可以较长时间稳定存在于水中。因此，优异的富氢杯往往需要能够稳定地产生大量纳米级气泡。故本专利技术能够在提高电催化析氢反应效率的基础上，形成可溶于水的纳米气泡，使富氢杯中的纳米氢气在短时间内达到更高的浓度，具有重大的生产应用意义。为了解决上述问题，提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术第一方面提供一种具有二级结构的多孔阵列电极，其包括：多孔导电基底；生长在所述多孔导电基底上的初级阵列结构，所述初级阵列结构的每个单元形状为球形或椭球形的至少一部分；放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的次级纳米结构。所述次级纳米结构为锥状、或尖刺状时，其长度计为H1，所述初级阵列结构和次级纳米结构整体即初级结构和次级结构组成的每个单元的最大长度记为H2，H1≤1/2H2。优选地，所述片状、锥状、或尖刺状的长度为50-800纳米，宽度为50-800纳米；所述片状的厚度为4-50纳米。优选地，所述多孔导电基底表面具有刻蚀形成的粗糙结构。优选地，所述多孔导电基底选自泡沫钛、钛网、钛毡、或钛片。优选地，同一个多孔阵列电极上，相邻的所述次级纳米结构为锥状、或尖刺状时，顶端中心的间距的最大值大于80nm。相邻的所述次级纳米结构顶端中心的间距普遍(普遍即约一半以上)大于80nm。优选地，所述次级纳米结构为锥状、或尖刺状时，相邻的所述次级纳米结构顶端中心的间距的均值为80-200nm，当所述间距太小时，不利于氢气气泡溢出。当所述间距太大时，生成的氢气气泡尺寸太大。当所述间距的均值为80-200nm时，可以生成尺寸在纳米级别的氢气气泡。本专利技术第二方面提供一种第一方面所述的多孔阵列电极的制备方法，包括以下步骤：(1)用一定质量分数的酸性溶液刻蚀多孔导电基底，然后洗涤，得到表面具有粗糙结构的多孔导电基底；(2)在一定浓度的氯化物的电解质溶液中，配置一定浓度的可溶性铂溶液，得到混合溶液；(3)在步骤(2)得到的所述混合溶液中，采用三电极体系进行电沉积，其中，步骤(1)得到的所述多孔导电基底为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极；电沉积一段时间后拿出、清洗、烘干即得到所述多孔阵列电极。优选地，所述三电极体系中的对电极为铂电极、或石墨纸。优选地，步骤(3)还包括以下步骤:在一定浓度的硝酸盐的电解质溶液中，配置一定浓度的可溶性铂溶液，得到第二混合溶液；电沉积步骤先在步骤(2)得到的含氯化盐的溶液混合溶液中电沉积一段时间，再在所述第二混合溶液中沉积一段时间。优选地，所述电沉积为恒电位电沉积或恒电流电沉积，所述恒电位为-0.4～-1V，所述恒电流为-0.4～-60mA/cm2。优选地，步骤(1)所述酸性溶液为草酸，质量分数为5％-20％。优选地，步骤(2)所述混合溶液中可溶性铂溶液为氯铂酸或氯亚铂酸钾溶液，浓度为0.2-10mmol/L，所述混合溶液中氯化物的浓度为20-200mmol/L。优选地，步骤(3)的反应在恒温水浴下进行，温度为0-90℃。优选地，步骤(3)所述电沉积时间为3-30min。优选地，所述氯化物为氯化钾、或氯化钠。本专利技术第三方面提供一种第一方面所述的多孔阵列电极用于电解水析氢反应的阴极材料的用途。第一方面所述的多孔阵列电极用于电解水析氢反应的阴极材料的用途，产生的纳米级氢气气泡的含量最高达2.5ppm。优选地，所述多孔阵列电极可以提高纳米氢气气泡的产量。或者说是所述多孔阵列电极可以减小氢气气泡的尺寸。电解水析氢反应中，纳米级氢气气泡的含量高达2.5ppm。气泡直径主要分布在350nm以下，随着放置时间的增加，纳米气泡的数量主要集中于200nm以下。上述技术方案在不矛盾的前提下，可自由组合。本专利技术具有以下有益效果：(1)产氢效率高，稳定性强。本专利技术的多孔电极结构为首次得到，导电基底表面具有阵列化的二级结构，初级阵列结构的每个单元为球形或椭球形的至少一部分，这种结构相比片状或棒状结构，可以更加牢固地与导电基底结合，不易损坏脱落；次级纳米结构为放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的结构，不仅提高了材料的比表面积，还能够暴露更多的活性位点用于电化学反应，提高电化学反应效率。(2)更易生成纳米级氢气泡。为了得到纳米级别的气泡，气体的逸出反应需要尽快脱离电极表面向液相传质。本专利技术的多孔电极二级结构整体为例如球片状、海胆状，这种高度有序阵列结构用于析氢反应的阴极材料时，能够有效的切割电极表面与气泡的接触面积，使得电极表面与气泡的接触面积较小，从而表现出很小的气泡粘附力，有利于气泡的脱离。电解水析氢反应中，纳米级氢气气泡的含量高达2.5ppm。(3)优选的技术方案中，多孔电极上相邻的所述次级纳米结构为锥状或尖刺状时，次级纳米结构顶端中心之间的距离普遍大于80nm，使得形成的纳米气泡不易相互接触融合，有效提高电极表面的疏气性，使得气泡在纳米尺度就会脱离电极表面，形成可溶于水的纳米气泡。(4)优选的技术方案中，导电基底表面进行了刻蚀处理，使得电沉积于刻蚀后的孔道中的铂不易与外界接触，具有更高的稳定性，更难脱落。(5)本专利技术首次发现，制备方法中电沉积步骤先在氯化盐溶液中电沉积一段时间，再在硝酸盐溶液中电沉积，会使得尖刺更突出，即更长更粗。(6)本专利技术首次发现，恒电流沉积时，电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有二级结构的多孔阵列电极，其特征在于，包括：/n多孔导电基底；/n生长在所述多孔导电基底上的初级阵列结构，所述初级阵列结构的每个单元形状为球形或椭球形的至少一部分；/n放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的次级纳米结构；/n所述初级阵列结构和次级纳米结构均为铂。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有二级结构的多孔阵列电极，其特征在于，包括：
多孔导电基底；
生长在所述多孔导电基底上的初级阵列结构，所述初级阵列结构的每个单元形状为球形或椭球形的至少一部分；
放射状生长在所述初级阵列结构的每个单元表面的片状、锥状、或尖刺状的次级纳米结构；
所述初级阵列结构和次级纳米结构均为铂。


2.根据权利要求1所述的多孔阵列电极，其特征在于，所述次级纳米结构为锥状、或尖刺状时，其长度计为H1，所述初级阵列结构和次级纳米结构整体即初级结构和次级结构组成的每个单元的最大长度记为H2，H1≤1/2H2。


3.根据权利要求1所述的多孔阵列电极，其特征在于，所述片状、锥状、或尖刺状的次级结构的长度为50-800纳米，宽度为50-800纳米；所述片状的次级结构的厚度为4-20纳米。


4.根据权利要求1所述的多孔阵列电极，其特征在于，所述多孔导电基底表面具有刻蚀形成的粗糙结构；所述多孔导电基底选自泡沫钛、钛网、钛毡、或钛片。


5.一种权利要求1所述的多孔阵列电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用一定质量分数的酸性溶液刻蚀多孔导电基底，然后洗涤，得到表面具有粗糙结构的多孔导电基底；
(2)在一定浓度的氯化物的电解质溶液中，配置一定浓度的可溶性铂溶液，得到混合溶液；
(3)在步骤(2)得到的所述混合溶液中，采用三电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙晓明，李佳伟，邝允，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11