一种提高四氧化三钴电解水效率的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，涉及清洁能源生产方面的电解水产氧和制氢。包括四个部分，电解水阳极材料制备、阳极表面处理、活化层负载，电极系统组装。具体的，将钴盐加入到溶剂中，升高到一定温度反应后，制备成胶体，涂制到基体上，高温处理形成四氧化三钴电极；对四氧化三钴进行表面还原，得到表面还原四氧化三钴（CoO

【技术实现步骤摘要】
一种提高四氧化三钴电解水效率的方法


[0001]本专利技术涉及新能源、新材料
，特别是电解水制氢和氧的方法，尤其涉及一种提高四氧化三钴电解水效率的方法。

技术介绍

[0002]环境污染日益严峻，对能源结构提出了更高的要求。传统的能源主要以化石能源为主，带来的环境污染问题日益凸显，成为限制经济发展的重要因素，为此，国家提出碳达峰、碳中和的目标，来解决经济快速发展依赖传统能源而带来的环境问题。
[0003]改善能源结构，发展新能源成为当下的主要思路，以氢能源为代表的新能源有着众多传统化石能源不具备的优点，如无污染，便于储存，能源可控，来源方便。以往的氢气来源方式主要是化石燃料在二次加工过程中产生的副产物，其根本还是依赖化石能源，因此，寻求氢能清洁产生方式成为当下热点话题。
[0004]电解水制氢无污染，安全，可控，成为重点的发展方向，由于电解水制氢的反应工况复杂，反应条件具有高电位，强氧化性，高腐蚀性的特点。电极的耐用性、效率、成本是限制其发展的根本方向，贵金属氧化物一直是作为电极阳极材料的重要来源，由于价格昂贵，限制电解水制氢规模化发展。传统电解水制氢阳极采用贵金属阳极，因其性能优异，耐腐蚀性强的特点。电解水制氢，主要速控步骤为阳极产氧过程，阳极产氧四电子转移过程，非常复杂，同时反应环境腐蚀性极强，满足作为阳极的材料比较少，解决阳极析氧问题，阴极产氢的问题就迎刃而解。因此电解水制氢，主要是解决阳极问题。四氧化三钴作为一种高效的非贵金属阳极材料，成本低廉，性能稳定是最有可能替代贵金属的重要材料之一。本专利技术克服电解水电解材料成本问题，通过对材料表面改性，然后再功能化提高电解水的效率和寿命，有望实现低成本电解水制氢和氧的规模化应用。
[0005]
技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，主要目的在于提高电解水规模化应用的可能性，以降低电解水阳极材料对贵金属材料的依赖。四氧化三钴，因存在二价钴和三价钴的转换，具有较高的析氧效率及稳定性，通过表面还原，产生富二价钴的表面层（CoO），进一步提高稳定性及效率，通过活化层负载，形成羟基氧化物（MOOH），更进一步提高效率及稳定性。
[0007]为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，包括如下步骤：（1）阳极材料制备，将钴盐加入到溶剂中，升高到一定温度反应后，制备成胶体，涂制到导电基体上，经过高温处理形成四氧化三钴电极；（2）阳极表面还原处理，通过还原方式对四氧化三钴表面还原，得到表面还原四氧化三钴（CoO
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Co3O4，SR
·
Co3O4）电极；
（3）活化层负载，把还原后的四氧化三钴电极浸渍到一定浓度的金属盐溶液中，后用去离子水洗涤，得到活化层负载的还原四氧化三钴电极；（4）电极系统组合，所述的电极系统，包括负载活性层的还原四氧化三钴电极为阳极，还包括参比电极，对电极，所述参比电极为.饱和甘汞电极，银/氯化银电极，优选的，饱和甘汞电极，所述的对电极为石墨电极，铂系电极，及其它稳定导电良好材料电极，优选的，铂系电极。
[0008]（5）电解水系统组合，电解槽，电解质，电极系统，外加电源组成电解水系统，进行稳态和暂态测试阳极电解水产氧和产氢性能，所述电解质为碱性电解质，浓度0.2
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0.5mol/L。
[0009]进一步的，所述钴盐为硝酸盐，硫酸盐，氯盐，碳酸盐，乙酸盐及乙酰丙酮钴、二茂钴盐中的一种或多种，优选的，硝酸钴。
[0010]进一步的，所述溶剂为有机溶剂或者离子液体溶剂，沸点为100℃
‑
300℃之间，优选的，乙二醇作为溶剂，反应温度150℃
‑
200℃。
[0011]进一步的，电极制备可采用旋涂，刮涂，超声喷涂，丝网印刷，浸渍提拉，转印中的一种，优选的，采用刮涂或超声喷涂。
[0012]进一步的，所述高温处理为稳定在300℃
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600℃，时间1
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10h，优选的，400℃
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500℃，2
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6h。
[0013]进一步的，所述的还原方式包括电化学表面还原、化学还原剂还原，氢气、一氧化碳高温还原中的一种，优选的，化学还原剂还原。
[0014]进一步的，所述的化学还原剂还原，还原剂为硼氢化钠，氢化铝锂，优选的，硼氢化钠；所述的还原剂的浓度为1
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500mM，还原时间1
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120min，优选的，浓度为5
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50mM，时间5
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30min。
[0015]更进一步的，所述的金属盐对应金属为，二价的锰、铁、钴、镍、铜、铈，三价的铁中的一种或多种，优选的，二价钴或三价铁。
[0016]在进一步的，所述的金属盐的浓度为1
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500mM，浸渍时间为1
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3600s，优选的，浓度5
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100mM，时间5
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60s；SR
·
Co3O4电极浸渍到金属盐溶液一定时间，然后浸渍到纯水中，浸渍纯水时间1
‑
3600s，优选的，时间5
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60s。
[0017]本专利技术还提供了一种四氧化三钴阳极材料，采用权利要求1
‑
9任意一项所述的方法制备得到。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的一种提高四氧化三钴电解水效率的方法至少具有以下有益效果：电解水制氢是改善能源结构的重要方式，电解水制氢的关键在于阳极产氧过程，因涉及四电子转移的复杂过程，过电位高，腐蚀性强，阳极寿命短，能耗高，电极系统不稳定等现象普遍存在，而传统的电解水制氢阳极材料主要依赖贵金属，贵金属成本高是限制其大规模应用的关键因素，因此寻求可替代的非贵金属氧化物作为阳极材料就极为重要。四氧化三钴电解水的优点：第一，采用溶剂法高温制备的胶体，涂刷到导电载体上所制备的阳极稳定，且成本低廉，无污染；第二，四氧化三钴，因存在二价钴和三价钴的转换，具有较高的析氧效率及稳定性，通过表面还原，产生富二价钴的表面层（CoO），进一步提高稳定性及效率；第三，通过过渡金属盐水溶液负载，负载活性组分主要作用在还原后的四氧化三钴表
面能较高的缺陷上，在电解水的过程中形成羟基氧化物（MOOH），更进一步提高电解水效率及稳定性。
附图说明
[0019]图1 为本专利技术实施例1电极体系暂态测试图；图2 为本专利技术实施例2电极体系稳态测试图；图3 为本专利技术实施例2电极体系暂态测试图；图4 为本专利技术实施例3电极体系暂态测试图；图5 为本专利技术实施例4电极体系稳态测试图；图6 为本专利技术实施例5电极体系稳态测试图；图7 为本专利技术实施例5电极体系暂态测试图。
[0020]具体实施方法为进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术申请的具体实施方式、结构、特征及其功效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）阳极材料制备，将钴盐加入到溶剂中，升高到一定温度反应后，制备成胶体，涂制到导电基体上，经过高温处理形成四氧化三钴电极；（2）阳极表面还原处理，通过还原方式对四氧化三钴表面还原，得到表面还原四氧化三钴（CoO
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Co3O4，SR
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Co3O4）电极；（3）活化层负载，把还原后的四氧化三钴电极浸渍到一定浓度的金属盐溶液中，后用去离子水洗涤，得到活化层负载的还原四氧化三钴电极；（4）电极系统组合，所述的电极系统，包括负载活性层的还原四氧化三钴电极为阳极，还包括参比电极，对电极，所述参比电极为饱和甘汞电极、银/氯化银电极，所述对电极为铂系电极，石墨电极，及其它稳定导电良好材料电极；（5）电解水系统组合，电解槽，电解质，电极系统，外加电源组成电解水系统，进行稳态和暂态测试阳极电解水产氧和产氢性能，所述电解质为碱性电解质，浓度0.2
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0.5mol/L。2.根据权利要求2所述的一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，其特征在于，所述钴盐为硝酸盐，硫酸盐，氯盐，碳酸盐，乙酸盐及乙酰丙酮钴、二茂钴中的一种或多种，优选的，硝酸钴。3.根据权利要求1所述的一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，其特征在于，所述溶剂为有机溶剂或者离子液体溶剂，沸点为100℃
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300℃之间，优选的，乙二醇作为溶剂，反应温度150℃
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200℃。4.根据权利要求1所述的一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，其特征在于，电极制备可采用旋涂，刮涂，超声喷涂，丝网印刷，浸渍提拉，转印中的一种，优选的，采用刮涂或超声喷涂。5.根据权利要求1所述的一种提高四氧化三钴电解水效率的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长影，李想，
申请(专利权)人：杭州兴态环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：