多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用技术

本发明专利技术涉及电催化分解水技术领域，具体涉及一种多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用。本发明专利技术提供一种高效的多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用。本发明专利技术制备的多孔双功能分解水电催化剂具有良好的电催化分解水析氢活性和析氧活性，在相同电解液中可分别作为阴、阳两极实现水的分解，推动了电催化分解水朝着更大电流密度更低外加电势的实用化方向发展，并且该方法工艺简单，成本低廉，易于控制且可重复性高。易于控制且可重复性高。易于控制且可重复性高。

【技术实现步骤摘要】
多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用


[0001]本专利技术涉及电催化分解水
，具体涉及一种多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用。

技术介绍

[0002]随着煤炭、石油等不可再生化石燃料的日益减少及其对环境污染的加剧，氢能因其可再生、无污染、可储存等优点受到高度关注。常用的制氢方法有电解水制氢、光催化制氢、化石燃料制氢、生物制氢等。光催化制氢和生物制氢成本高、效率低，化石燃料制氢会产生二氧化碳等温室气体，而电解水制氢简单、高效、环保，制得的氢气纯度高，因此是未来大规模制氢的重要途径。Pt等贵金属及其合金由于具有低析氢过电位，因而具有优越的电解水析氢催化性能，但其价格昂贵并且资源有限，极大地限制了它们的大规模应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术克服现有技术的不足，所要解决的技术问题是提供一种高效的多孔双功能分解水电催化剂及其制备方法、电解池与应用。本专利技术制备的多孔双功能分解水电催化剂具有良好的电催化分解水析氢活性和析氧活性，在相同电解液中可高效地实现全解水，推动了电催化分解水朝着更大电流密度更低外加电势的实用化方向发展，并且该方法工艺简单，成本低廉，易于控制且可重复性高。
[0004]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案:
[0005]本专利技术提供了一种多孔双功能分解水电催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤:步骤S1:将金属氧化物粉体与陶瓷粉体混合均匀，得到混合粉体；步骤S2:将粘结剂、增塑剂、造孔剂、分散剂、润湿剂、溶剂机械混合，得到第一有机助剂；步骤S3:低温条件下，将步骤S1所得的所述混合粉体与步骤S2所得的所述第一有机助剂混合，混合后转移至真空除泡机中，进行真空脱泡，制得第一浆料；步骤S4:将步骤S3所得的第一浆料在流延机上进行流延，制得金属氧化物
‑
陶瓷复合生坯薄膜；步骤S5:将金属氧化物粉体与第二有机助剂混合，得到第二浆料；步骤S6:通过喷雾热解法、浸渍提拉、旋涂法、丝网印刷或刮刀法中的任意一种方法，在步骤S4所得的金属氧化物
‑
陶瓷复合生坯薄膜上涂覆步骤S5所得的第二浆料，所述第二浆料固化后形成金属氧化物生坯薄膜，制得双层复合生坯薄膜；步骤S7:对步骤S6所得的所述双层复合生坯薄膜进行热处理，得到所述多孔双功能分解水电催化剂，其中，所述金属氧化物生坯薄膜经热处理后用作电子集流层。
[0006]进一步地，所述金属氧化物粉体选自NiO、Fe2O3、Fe3O4中的至少一种；所述陶瓷粉体选自Al2O3、氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)、氧化钪稳定氧化锆(SSZ)中的至少一种；所述粘结剂选自聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)、乙基纤维素至少一种，所述粘结剂的重量为所述混合粉体的5～10wt％；所述增塑剂选自聚乙二醇、丙三醇中的至少一种，所述增塑剂的重量为所述混合粉体的5～10wt％；所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的至少一种，所述造孔剂的粒径为1～10μm；所述溶剂选自松油醇、异丙醇、乙醇、甲醇中的至少一种；所述混合
粉体的固含量为30～60wt％。
[0007]进一步地，步骤S2中机械混合的时间为3～12小时；步骤S3中混合方式选自球磨混合或者三辊机混合，混合时间为12～24小时。
[0008]进一步地，步骤S5中所述第二有机助剂为聚乙烯醇缩丁醛酯溶解于松油醇所形成的混合溶液。
[0009]进一步地，步骤S6包括:将丝网平放在步骤S4所得的所述金属氧化物
‑
陶瓷复合生坯薄膜上，滴加步骤S5所得的第二浆料于丝网表面并进行丝网印刷，所述第二浆料固化后形成金属氧化物生坯薄膜，制得双层复合生坯薄膜。
[0010]进一步地，所述金属氧化物
‑
陶瓷复合生坯薄膜的厚度为100～300μm，所述金属氧化物生坯薄膜的厚度为2～5μm。
[0011]进一步地，步骤S7中所述热处理包括:以0.5～5℃/分钟的升温速率上升至200～250℃并保温2～3个小时，继续以0.5～5℃/分钟的升温速率上升至400～450℃并保温2～3个小时，继续以0.5～5℃/分钟的升温速率上升至500～550℃并保温2～3个小时，继续以0.5～5℃/分钟的升温速率上升至1200～1500℃并保温4～5个小时。
[0012]本专利技术提供了一种多孔双功能分解水电催化剂，所述多孔双功能分解水电催化剂采用前述的制备方法制成。
[0013]本专利技术提供了一种电解池，包括由如前述的多孔双功能分解水电催化剂组成的膜电极，或者，电极本体以及包覆在所述电极本体上的前述的多孔双功能分解水电催化剂。
[0014]本专利技术提供了一种前述的多孔双功能分解水电催化剂或如前述的电解池在电解水析氢催化反应和/或电解水析氧催化反应中的应用。
[0015]由于采用上述技术方案，本专利技术具有以下优点和有益效果:
[0016]本专利技术提供了以上制备方法制备的多孔双功能分解水电催化剂，本专利技术提供的制备方法简单、可操作性强。本专利技术提供的多孔双功能分解水电催化剂作为电催化分解水的阴极和阳极时，在碱性电解液中具有良好的析氢和析氧活性，有利于碱性电解水制氢的效率提高与稳定运行。此外，当金属氧化物粉体为镍
‑
铁(NiFe)氧化物时，由于镍
‑
铁(NiFe)氧化物具有较低的成本和较高的催化活性，同时其物理化学性质强烈地依赖于尺寸、形貌、孔隙率和表面微观结构，故可通过各种方法调整大小、形态。例如，尺寸减小有利于镍氧化物表面Ni
3+
的形成，这对催化活性的提高是有利的，同时尺寸减小赋予了其具有高的比表面积，有利于提高析氧活性。另外，镍
‑
铁(NiFe)氧化物在碱性介质中具有较高析氢(HER)催化活性，是实现高效分解水的关键催化剂，表现出双功能催化活性，同时，可以加快氢气泡从电极表面的脱离效率、增加气液固三相界面的电荷转移效率、以及提升电极本体材料的导电性和力学强度。
附图说明
[0017]图1为实施例1制备的多孔NiO
‑
YSZ的复合电极薄膜截面的扫描电镜(SEM)图,从图中可以看出电极薄膜总厚度约300um，孔径3um左右；
[0018]图2为实施例1和2制备的多孔电极薄膜进行析氢反应和析氧反应的电化学性能的测试装置示意图；
[0019]图3为实施例1和2制备的多孔电极薄膜进行全水分解的测试装置示意图；
[0020]图4是实施例1制备的多孔NiO
‑
YSZ电极薄膜，作为工作电极，利用图2的测试装置，在1M的KOH溶液中析氢和析氧反应的伏安特性曲线；
[0021]图5是实施例2制备的多孔NiO
‑
Fe2O3‑
YSZ电极薄膜，作为工作电极，利用图2的测试装置，在1M的KOH溶液中析氢和析氧反应的伏安特性曲线。
[0022]图6是实施例1和2制备的多孔NiO
‑
YSZ和NiO
‑
Fe2O3‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔双功能分解水电催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤:步骤S1:将金属氧化物粉体与陶瓷粉体混合均匀，得到混合粉体；步骤S2:将粘结剂、增塑剂、造孔剂、分散剂、润湿剂、溶剂机械混合，得到第一有机助剂；步骤S3:低温条件下，将步骤S1所得的所述混合粉体与步骤S2所得的所述第一有机助剂混合，混合后转移至真空除泡机中，进行真空脱泡，制得第一浆料；步骤S4:将步骤S3所得的第一浆料在流延机上进行流延，制得金属氧化物
‑
陶瓷复合生坯薄膜；步骤S5:将金属氧化物粉体与第二有机助剂混合，得到第二浆料；步骤S6:通过喷雾热解法、浸渍提拉、旋涂法、丝网印刷或刮刀法中的任意一种方法，在步骤S4所得的金属氧化物
‑
陶瓷复合生坯薄膜上涂覆步骤S5所得的第二浆料，所述第二浆料固化后形成金属氧化物生坯薄膜，制得双层复合生坯薄膜；步骤S7:对步骤S6所得的所述双层复合生坯薄膜进行热处理，得到所述多孔双功能分解水电催化剂，其中，所述金属氧化物生坯薄膜经热处理后用作电子集流层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物粉体选自NiO、Fe2O3、Fe3O4中的至少一种；所述陶瓷粉体选自Al2O3、YSZ、SSZ中的至少一种；所述粘结剂选自聚乙烯醇缩丁醛酯、乙基纤维素至少一种，所述粘结剂的重量为所述混合粉体的5～10wt％；所述增塑剂选自聚乙二醇、丙三醇中的至少一种，所述增塑剂的重量为所述混合粉体的5～10wt％；所述造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的至少一种，所述造孔剂的粒径为1～10μm；所述溶剂选自松油醇、异丙醇、乙醇、甲醇中的至少一种；所述混合粉体的固含量为30～60wt％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭育菁，张蕾，魏高泰，王泽宇，
申请(专利权)人：上海嘉氢源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：