一种电解水制氢一体化阳极的制备方法和应用技术

一种电解水制氢一体化阳极的制备方法和应用，本发明专利技术涉及电极的制备方法及应用，本发明专利技术是要解决现有的电解水制氢的阳极存在的电子转移速率慢、制备成本高的技术问题。本发明专利技术的方法是：先将硝酸钴、钼酸钠、氟化铵和尿素的混合溶液及泡沫镍置于反应釜中进行水热反应，得到前驱体，然后将前驱体和单质硫放在管式炉中，在氮气气氛中低温硫化，得到一体化电解水制氢阳极。它与阴极组成电极对，与直流电源相连，并将其置于KOH溶液组成的电解质溶液中，进行电解水产氢。可用于电解水制氢领域或者废水的处理及氢气的制取相结合领域。

【技术实现步骤摘要】
一种电解水制氢一体化阳极的制备方法和应用
本专利技术涉及电极的制备方法及应用，属于环境功能材料领域。
技术介绍
目前最清洁高效、最具前景的制氢技术---电解水制氢技术，能够利用风能、太阳能等间歇性可再生能源产生的电力转化为氢气，实现将低品位可再生能源转换为高品位能源输出，因此电解水制氢技术成为氢储能方向的研究热点。阳极氧化反应(OER)仍为电解水产氢技术的限制步骤，在碱性电解质中主要反应原理如下(公式1-1、1-2、1-3、1-4和1-5)：OER由四个连续的基元反应构成，反应的第一步是碱性溶液中OH-在催化剂表面的配位，生成反应中间体HO*，(*：活性位点)(公式1-1)；随后即为三步相继的氧化反应，中间体HO*、O*及HOO*被逐步氧化，最终生成O2(公式1-2、1-3、1-4)。理论上，每一步氧化反应都是热力学爬坡反应。OH-+*→HO*+e-(1-1)HO*+OH-→O*+H2O+e-(1-2)O*+OH-→HOO*+e-(1-3)HOO*+OH-→*+O2+H2O+e-(1-4)OH-→O2+H2O+e-(1-5)目前所报道的专利中电解水制氢体系阳极，比如申请号为CN202010863706.6的中国专利公开了一种用于电解水的新型活性阴极或阳极的制备方法，在该专利中就涉及到了粘合剂的使用，将所制备的粉末涂覆于继电器表面，该类型阳极摆脱不了对导电剂、粘结剂等的依赖，而这种化学药剂的添加会降低电极比表面积，减缓电子转移速率；同时还存在制备方法成本高，步骤麻烦的问题。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的电解水制氢的阳极存在的电子转移速率慢、制备成本高的技术问题，而提供一种电解水制氢一体化阳极的制备方法和应用，该电解水制氢一体化阳极为新型高效的金属硫化物金属氧化物异质结电极，可加快阳极反应动力学，实现低能耗生产高纯度氢气。本专利技术的电解水制氢一体化阳极的制备方法是通过水热-低温硫化两步骤完成，具体如下：一、用盐酸、乙醇和超纯水依次对泡沫镍进行超声洗涤，去除表面有机物氧化物，在55～60℃条件下烘干，得到洁净的泡沫镍；二、将硝酸钴、钼酸钠、氟化铵和尿素溶解于去离子水中，搅拌均匀，得到混合溶液；三、将步骤一洁净的泡沫镍以及步骤二获得的混合溶液置于反应釜的聚四氟乙烯内胆中，将反应釜在120～160℃温度下保温6～9h，得到前驱体；四、将前驱体放置于磁舟中，然后转移至管式炉下游，在管式炉上游放置单质硫，向管式炉中通入N2以排除空气，然后在氮气气氛中以5～10℃min-1升温速率至300～350℃并保持2～3h，保温完成后冷却至室温，得到一体化电解水制氢阳极。本专利技术电解水制氢一体化阳极是在泡沫镍基底上负载由CoS2、MoO2和MoO3复合物纳米片构成的花状物，记为CoS2-MoOx/NF。上述的电解水制氢一体化阳极的应用，是将一体化电解水制氢阳极作为电解水产氢体系的阳极。具体如下：将一体化电解水制氢阳极与阴极组成电极对，与直流电源相连，并将其置于浓度为0.5～1molL-1KOH溶液组成的电解质溶液中，在电流密度为10～100mAcm-2的条件下进行电解水产氢反应，即可实现在低外加电压下产生高纯度氢气。本专利技术以泡沫镍为基底，经过水热-低温硫化两步骤，实现金属氧化物与金属硫化物的结合，生成超薄纳米片，其中Co和Mo的掺杂能够加速电极表面电子转移，S的掺杂能够增强元素电负性，会对临近的3d金属原子的电荷排布产生显著的影响，从而能够加速阳极OER过程的电子转移，有利于降低体系能耗生产高纯度氢气。本专利技术利用简单的水热-硫化两步法制备的一体化超薄纳米片电极，避免了其它化学药剂的添加，超薄纳米片结构也增加了电极活性比表面积，能够有效增强电子转移速率，从而加快阳极反应动力学。原料来源广泛、成本低、耗能少、制备方法简单、绿色环保。基于该一体化阳极的电解水制氢体系能够实现在外加较低的电压即可生产高纯度氢气，在后续也可拓展将废水的处理及氢气的制取相结合。附图说明图1为实施例1制备的修饰前后的阳极对比图；图2是实施例1中泡沫镍骨架的扫描电镜图；图3是实施例1中一体化阳极扫描电镜图；图4是是实施例1中一体化阳极能谱分布图；图5是实施例1制备的一体化阳极与前驱体X射线衍射对比图；图6是实施例1制备的一体化阳极与前驱体X射线光电子能谱对比图；图7是实施例1中一体化阳极在1molL-1的KOH电解质溶液中的线性循环伏安图；图8是实施例1中一体化阳极及其前驱体在不同电流下的氢气占比；图9是实施例2中一体化阳极扫描电镜图；图10是实施例2中一体化阳极能谱分布图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的电解水制氢一体化阳极的制备方法是通过水热-低温硫化两步骤完成，具体如下：一、用盐酸、乙醇和超纯水依次对泡沫镍进行超声洗涤，去除表面有机物氧化物，在55～60℃条件下烘干，得到洁净的泡沫镍；二、将硝酸钴、钼酸钠、氟化铵和尿素溶解于去离子水中，搅拌均匀，得到混合溶液；三、将步骤一洁净的泡沫镍以及步骤二获得的混合溶液置于反应釜的聚四氟乙烯内胆中，将反应釜在120～160℃温度下保温6～9h，得到前驱体；四、将前驱体放置于磁舟中，然后转移至管式炉下游，在管式炉上游放置单质硫，向管式炉中通入N2以排除空气，然后在氮气气氛中以5～10℃min-1升温速率至300～350℃并保持2～3h，保温完成后冷却至室温，得到一体化电解水制氢阳极。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤二中硝酸钴、钼酸钠、氟化铵与尿素的摩尔比为1：(1～3)：(8～16)：(8～16)；其他与具体实施方式一相同.钴的化合物是一种过渡金属，在本实施方式的硝酸钴的最佳掺杂量下，利用钼和硫的掺杂形成钴的硫化物与钼的氧化物的异质结，在催化过程中，通过两部分的协同作用，对OER过程进行催化，实现了更好的催化效果。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二的混合溶液中硝酸钴的摩尔浓度为0.5～2mol/L；其他与具体实施方式一或二相同；具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤三的泡沫镍尺寸为长3～4cm，宽为4～6cm；其他与具体实施方式一至三之一相同；具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤四中单质硫的质量与步骤一中硝酸钴的物质的量的比为(0.1～0.5)g：1mmol；其他与具体实施方式一至四之一相同；具体实施方式六：由具体实施方式一制备的电解水制氢一体化阳极的应用，是将一体化电解水制氢阳极作为电解水产氢体系的阳极。具体实施方式七：将一体化电解水制氢阳极作为电解水产氢体系阳极，电解水产氢的方法具体为：将一体化电解水制氢阳极与阴极组成电极对，与直流电源相连，并将其置于由浓度为0.5～1molL-1KOH溶液组成的电解质溶液中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电解水制氢一体化阳极的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：/n一、用盐酸、乙醇和超纯水依次对泡沫镍进行超声洗涤，去除表面有机物氧化物，在55～60℃条件下烘干，得到洁净的泡沫镍；/n二、将硝酸钴、钼酸钠、氟化铵和尿素溶解于去离子水中，搅拌均匀，得到混合溶液；/n三、将步骤一洁净的泡沫镍以及步骤二获得的混合溶液置于反应釜的聚四氟乙烯内胆中，将反应釜在120～160℃温度下保温6～9h，得到前驱体；/n四、将前驱体放置于磁舟中，然后转移至管式炉下游，在管式炉上游放置单质硫，向管式炉中通入N

【技术特征摘要】
1.一种电解水制氢一体化阳极的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、用盐酸、乙醇和超纯水依次对泡沫镍进行超声洗涤，去除表面有机物氧化物，在55～60℃条件下烘干，得到洁净的泡沫镍；
二、将硝酸钴、钼酸钠、氟化铵和尿素溶解于去离子水中，搅拌均匀，得到混合溶液；
三、将步骤一洁净的泡沫镍以及步骤二获得的混合溶液置于反应釜的聚四氟乙烯内胆中，将反应釜在120～160℃温度下保温6～9h，得到前驱体；
四、将前驱体放置于磁舟中，然后转移至管式炉下游，在管式炉上游放置单质硫，向管式炉中通入N2以排除空气，然后在氮气气氛中以5～10℃min-1升温速率至300～350℃并保持2～3h，保温完成后冷却至室温，得到一体化电解水制氢阳极。


2.根据权利要求1所述的一种电解水制氢一体化阳极的制备方法，其特征在于步骤二中硝酸钴、钼酸钠、氟化铵与尿素的摩尔比为1：(1～3)：(8～16)：(8～16)。


3.根据权利要求1或2所述的一种电解水制氢一体化阳极的制备方法，其特征在于步骤二的混合溶液中硝酸钴的摩尔浓度为0.5～2mol...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱珊，张岐伟，邓凤霞，崔崇威，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23