一种高性能析氧电极及其制备方法技术

本申请涉及碱性水电解制氢的领域，具体公开了一种高性能析氧电极及其制备方法。一种高性能析氧电极，其包括基体、设置于基体外侧的镍过渡层以及设置于镍过渡层外侧的氧化铱层。一种高性能析氧电极的制备方法，包括如下步骤：镍过渡层制备：在基体外表面物理沉积形成一层镍过渡层；氧化铱层制备：将氧化铱颗粒电沉积到镍过渡层外表面，形成氧化铱层。通过镍过渡层的设置，为氧化铱纳米颗粒提供可靠的牢固附着的表面，有利于改善基体与氧化铱层之间的相界面、结合牢靠性和电子传导性，保证析氧电极催化性能，延长析氧电极使用寿命。延长析氧电极使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能析氧电极及其制备方法


[0001]本申请涉及碱性水电解制氢的领域，尤其是涉及一种高性能析氧电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢能具有能量密度高、可再生且燃烧产物清洁的优点，被认为是未来最具潜力的替代能源。水电解制氢是一种制取氢气的方法，通过在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在析氧电极(阳极)发生析氧反应(OER)以生成氧气，在阴极发生析氢反应(HER)以生成氢气。
[0003]其中，析氧电极材料是电解槽的关键核心部分，析氧电极材料的选择很大程度上决定着电解槽的电压高低及能耗大小，直接影响成本。因此，开发具有低成本、高活性和高耐久性的析氧电极对于碱性电解水制氢应用具有重要实用意义和经济效益。而析氧反应的高势垒和反应过程中的多电子转移导致其动力学反应速率缓慢，导致能耗高、制氢效率低下。为此，需要有效的电催化剂来加速反应，减少过电位，提高能量转换效率。
[0004]相关技术中，采用具有高析氧活性的贵金属及其氧化物作为基准电催化剂，如铂族金属中的铂、钌、铱等。因此，析氧电极常选用镀铂析氧电极或者贵金属氧化物析氧电极，其中铂族金属来源稀缺且成本高，导致其大规模应用受到限制，市场渗透率较低。
[0005]贵金属及其氧化物涂层主要的制备方法有热分解法、电沉积法、溶胶
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凝胶法等。热分解法具有很多优点，如成本不高、流程简单、操作人员易上手等。电沉积法制备的析氧电极表面氧化物分布均，电极表面比较紧密，颗粒呈簇状。溶胶
‑
凝胶法的优势在于可以更好地控制粒径，使涂层分散均匀。普遍而言，上述方法存在有涂层与基体结合不牢固的问题，涂层容易脱落，导致析氧电极催化性能下降，使用寿命低。

技术实现思路

[0006]为了改善贵金属催化剂涂层与基体的结合牢靠性，本申请提供一种高性能析氧电极及其制备方法。
[0007]第一方面，本申请提供的一种高性能析氧电极采用如下的技术方案：一种高性能析氧电极，包括基体、设置于基体外侧的镍过渡层以及设置于镍过渡层外侧的氧化铱层。
[0008]通过采用上述技术方案，镍过渡层为氧化铱纳米颗粒提供可靠的牢固附着的表面，有利于改善基体与氧化铱层之间的相界面、结合牢靠性和电子传导性，避免基体表面黏附作用弱，长期使用的过程中易发生催化剂脱落的现象，进而提高析氧电极催化性能，延长析氧电极使用寿命。此外，镍本身也是优异的析氧电极催化剂，能够与铱形成协同催化作用。
[0009]其他非贵金属也能达到类似作用，但镍的综合效果最好。镍过渡层改善相界面的作用机理原理在于：与贵金属(即Pt、Ir、Ru)相比，由于镍更负的标准电位，可以通过电置换
法在镍上自发沉积贵金属，即Ir取代镍，形成Ir和/或IrO2前体，在Ni与Ir和/或IrO2之间形成牢固的界面。
[0010]第二方面，本申请提供的一种高性能析氧电极的制备方法采用如下的技术方案：一种高性能析氧电极的制备方法，包括如下步骤：镍过渡层制备：在基体外表面物理沉积形成一层镍过渡层；氧化铱层制备：将氧化铱颗粒电沉积到镍过渡层外表面，形成氧化铱层。
[0011]通过采用上述技术方案，采用电沉积法制备氧化铱层，使得氧化铱颗粒在基体表面分布均匀、紧密。高度分散的氧化铱颗粒充分发挥了析氧催化作用，在低成本的同时获得高电解性能。
[0012]可选的，所述镍过渡层制备步骤采用磁控溅射法，以纯镍或镍合金为靶材。
[0013]通过采用上述技术方案，磁控溅射是一种物理气相沉积(PVD)技术，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。相比于电镀等其余方法，有利于保证镍过渡层附着的牢固性，致密性和均匀性。
[0014]可选的，所述基体为不锈钢材质的编织网或拉伸网。
[0015]通过采用上述技术方案，相比于钛基体等其余基体具有价格适中，且稳定的优势。
[0016]可选的，所述氧化铱颗粒的制备过程如下：以铱盐作为前驱体，先调节铱盐水溶液的pH值至碱性，再加热得到[Ir(OH)6]2‑
络合物，接着待冷却后调节溶液pH值至酸性，持续搅拌，得到氧化铱颗粒IrO
x
·
nH2O。
[0017]通过采用上述技术方案，氧化铱颗粒制备采用溶液
‑
凝胶法，可以很好地控制氧化铱颗粒的粒径大小和一致性。本申请的制备方法中，综合了电沉积法和溶胶
‑
凝胶法的优点。
[0018]可选的，所述氧化铱颗粒的尺寸为10
‑
180nm。
[0019]通过采用上述技术方案，氧化铱颗粒尺寸越小，贵金属利用率越高，但难于获得，且稳定性相对弱，因为小粒子易长大。氧化铱颗粒大，稳定性高，但相对贵金属利用率低。本申请的氧化铱颗粒为纳米级，具有良好的贵金属利用率，有利于低载量贵金属涂层的实现。
[0020]可选的，所述氧化铱颗粒储存时，先调节pH值至酸性，使IrO
x
·
nH2O部分转化回[Ir(OH)6]2‑
络合物，再以低温储存备用。
[0021]通过采用上述技术方案，该IrO
x
·
nH2O部分转化回[Ir(OH)6]2‑
络合物的溶液能够稳定存在，而氧化铱纳米颗粒IrO
x
·
nH2O(胶体)不耐储存，储存时间过长会形成大颗粒，导致活性和利用效率下降。[Ir(OH)6]2‑
络合物和IrO
x
·
nH2O两者互转，确保胶体溶液耐储存。
[0022]可选的，还包括烧结步骤，其具体过程如下：将带有氧化铱层和镍过渡层的基体进行真空烧结，得到析氧电极。
[0023]通过采用上述技术方案，烧结步骤可以提高催化剂与基体之间的结合牢固度，但会减少一部分催化剂比表面积。
[0024]可选的，所述烧结步骤中，真空度为高真空。
[0025]通过采用上述技术方案，高真空可以避免金属氧化所带来的界面，进而避免界面电阻和界面分离，保证氧化铱层的结合牢靠性。
[0026]可选的，所述氧化铱层制备步骤中，电镀时间为10
‑
50min。
[0027]综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1、通过镍过渡层的设置，为氧化铱纳米颗粒提供可靠的牢固附着的表面，有利于改善基体与氧化铱层之间的相界面、结合牢靠性和电子传导性，避免基体表面黏附作用弱，长期使用的过程中易发生催化剂脱落的现象，进而提高析氧电极催化性能，延长析氧电极使用寿命。此外，镍本身也是优异的析氧电极催化剂，能够与铱形成协同催化作用；2、本申请综合了电沉积法和溶胶
‑
凝胶法的优点，使得氧化铱层中的氧化铱颗粒高分散、低载量，可控制电极中极低的铱含量，由于贵金属氧化物中IrO2具有较好的析氧催化活性，较低的过氧电位，因而能够抵消贵金属成本影响，贵金属氧化物析氧电极的高性价比优势才能发挥出来；3、本申请的析氧电极具有低成本、高活性和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能析氧电极，其特征在于，包括基体、设置于基体外侧的镍过渡层以及设置于镍过渡层外侧的氧化铱层。2.一种权利要求1所述的高性能析氧电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：镍过渡层制备：在基体外表面物理沉积形成一层镍过渡层；氧化铱层制备：将氧化铱颗粒电沉积到镍过渡层外表面，形成氧化铱层。3.根据权利要求2所述的一种高性能析氧电极的制备方法，其特征在于：所述镍过渡层制备步骤采用磁控溅射法，以纯镍或镍合金为靶材。4.根据权利要求3所述的一种高性能析氧电极的制备方法，其特征在于：所述基体为不锈钢材质的编织网或拉伸网。5.根据权利要求2所述的一种高性能析氧电极的制备方法，其特征在于：所述氧化铱颗粒的制备过程如下：以铱盐作为前驱体，先调节铱盐水溶液的pH值至碱性，再加热得到[Ir(OH)6]2‑
络合物，接着待冷却后调节溶液pH值至酸性，持续搅拌，得到氧化铱颗粒IrO
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【专利技术属性】
技术研发人员：隋升，
申请(专利权)人：温州高企氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：