一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法技术

本发明专利技术属于环境友好型电催化材料制备技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法。其由以下原料按重量份数比制备而成：石墨烯（50

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法


[0001]本专利技术属于环境友好型电催化材料制备
，尤其涉及一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法。

技术介绍

[0002]氢能是一种清洁、高能的可再生能源，通过电化学水解手段低成本、高效率地制备氢气，是当前国际科研的热点与难点之一。
[0003]电解水的过程中需要析氢反应催化剂，目前常用的商用催化剂是贵金属铂，其高昂的价格和稀有的储量成为限制氢能源推广应用的障碍。因此，开发非贵金属催化剂甚至无金属催化剂是推广电解水制氢技术的关键。然而，电解槽的电极处于强酸性环境，多数非贵金属会腐蚀并丧失活性，不适合用作电解水制氢装置。作为非金属元素，碳储量多、存在于多种形式的材料体系中，可以具有良好的导电性，易于制备、显示出多样的微观形貌和丰富的电化学性质，是一类潜在的非金属电催化材料。
[0004]因此，亟需发展简单、高效的制备方法，获得结构和性能可控的碳材料，使其稳定性和活性接近甚至超过商用铂催化剂，来用于电解水制氢电极装置。

技术实现思路
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极，其特征是：由以下原料按重量份数比制备而成：石墨烯50
‑
72：水8.8
‑
20：聚乙烯醇8
‑
24。2.一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的合成方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1.按权利要求1所述重量份数比取各种原料，将石墨烯于常温常压条件下分散在水中制备分散液，分散液浓度为5
‑
10 mg mL
‑1；步骤2.在90
‑
100 o
C条件下，将聚乙烯醇溶解于水中形成透明溶液；步骤3.于常温常压条件下将步骤2制备的聚乙烯醇溶液缓慢逐滴加入步骤1制备的石墨烯分散液中，并混合均匀，制成混合溶液；步骤4.将步骤3制备得到的混合溶液置于超声波清洗机中进行超声处理，使其完全凝胶化，之后对其进行冷冻干燥，得到三维石墨烯气凝胶；步骤5.将步骤4制备得到的三维石墨烯气凝胶做为支撑材料，将所得三维石墨烯气凝胶匹配氧化铟电极组装电解水制氢装置中，工作电流密度为0.05
‑
100 mA cm
‑2，得到电解水制氢电极。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法，其特征是：所述的混合溶液中石墨烯的质量分数为50
‑
90 %。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法，其特征是：所述超声处理时间为1
‑
3 h；所述冷冻干燥时间为48
‑
72 h。5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法，其特征是：所述三维石墨烯气凝胶由二维石墨烯片层化学交联而成，具备三维分级多孔结构。6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法，其特征是：所述三维石墨烯气凝胶的孔径分布在2
‑
100 μm之间；所述三维石墨烯气凝胶的直径为14
‑
18 mm，厚度在300
‑
800 μm之间。7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1.将石墨烯50 mg于常温常压条件下分散在水中制备10 mL浓度为5 mg mL
‑1的分散液；步骤2.在90 o
C条件下，将聚乙烯醇50 mg溶解于水中制备形成10 mL浓度为5 mg mL
‑1的聚乙烯醇溶液，该聚乙烯醇溶液为透明溶液；步骤3.于常温常压条件下将步骤2制备的聚乙烯醇溶液缓慢逐滴加入步骤1制备的石墨烯分散液中，并混合均匀，制成混合溶液；所述的混合溶液中石墨烯的质量分数为50%；步骤4.将步骤3制备得到的混合溶液置于超声波清洗机中进行超声处理时间为1 h，使其完全凝胶化，之后对其进行冷冻干燥，处理时间为48 h，得到三维石墨烯气凝胶；所得到的三维石墨烯气凝胶的孔径为2μm，三维石墨烯气凝胶的直径为14 mm，厚度为300 μm；步骤5.将步骤4制备得到的三维石墨烯气凝胶做为支撑材料，将所得三维石墨烯气凝胶匹配氧化铟电极组装电解水制氢装置中，在工业电流密度为50 mA cm
‑2条件下，得到电解水制氢电极；电解池效率为60 %时，电能消耗低达3.0 kWh m
‑
3 H
2，
此电流条件下，产氢速率为8.4 mol h
–
1 g
cat
–1，可稳定运行超过200 h。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其合成方法，其特征是：包括以下步骤：步骤1.将石墨烯56 mg于常温常压条件下分散在水中制备7 mL浓度为8 mg mL
‑1的分散液；步骤2.在95
o
C条件下，将聚乙烯醇24 mg溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵琳，张明理，南哲，潘霄，张娜，吉星，刘禹彤，侯依昕，商文颖，程孟增，满林坤，徐熙林，王宗元，李金起，刘凯，杨方圆，杨博，许言路，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：