CN107367531A - 一种用于电化学反应的电极表面气体行为调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了表面活性剂用于电极表面气体的行为调控，属于电化学效率调控技术领域，具体涉及添加一种或多种表面活性剂调控电极表面气体的行为和状态，可有效降低甚至消除电极表面气体黏附的同时提高对电极表面的气体黏附行为。克服了通过改变电极结构和控制电极表面化学组成体调控电极表面行为方法的制备过程复杂，价格昂贵，且不适宜大规模使用等缺点，为电极表面气体行为控制提供了新的思路。

Description

一种用于电化学反应的电极表面气体行为调控方法
技术领域
本发明属于电化学效率调控技术领域，具体涉及添加一种或多种表面活性剂改变(降低甚至消除或者提高)电极表面气体的黏附，实现电极表面气泡行为的有效调控，提高电解及电催化效率。
背景技术
气体参与的电化学反应主要包括：气体“溢出”和“吸收”反应，二者是影响电催化效率及相应器件性能的关键因素。对于气体溢出电催化反应，产生的气泡如果不能及时离开电极表面，就会积聚成气膜覆盖在表面，减小有效的催化面积，增加电解质的扩散阻力和极化效应，最终导致能量损耗增加。另一方面，在气体“吸收”(消耗)反应中，通常会面临气体在电解液中的溶解度不够，导致电催化性能不能充分发挥。针对气体“溢出”的电化学反应,人们通过构筑一系列有序微纳结构(MoS2,Pt和Cu等)得到了不同的水下超疏气电极，并将其分别用于析氢、析氧反应等。此外也有研究者通过设计超亲气锥形电极，将电极表面气体(氢气)的持续收集和输运到锥形电极的根部，提高电极反应的效率。上述两种方法均是通过改变电极结构，有助于实现气体从电极表面的迅速“脱离”，使电极的效率增大。针对气体吸收(消耗)的电化学反应，同样也是通过构筑微纳结构协同低表面能物质制备“超亲气”电极，使气体能够通过气体扩散层快速到达电极表面从而提高“耗气”反应的电催化效率。但是，通过改变电极结构和控制表面化学组成调控电极表面气体行为的方法，过程较为复杂，价格昂贵，不宜大面积制备。本发明提出了一种电极表面气体行为调控的新方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种调控电极表面气体黏附的方法。通过往电解液中加入一定量的表面活性剂，使电极表面的气体不再黏附在其表面，从而加快电解效率。
为了解决上述问题，本发明提供如下具体的技术方案。
一种调控电极表面气体行为的方法，包括如下步骤：往电解液中加入表面活性剂，调节电极表面的气体在其表面的黏附，其中电解液为酸性电解液、中性电解液或碱性电解液，表面活性剂的体积分数为0.1-0.5％。
进一步，所述电解液的浓度为0.1-0.3M/L。
进一步，所述表面活性剂为阴离子型、非离子型、两性离子型表面活性剂，具体为椰油酰胺丙基甜菜碱、油酸酰胺丙基甜菜碱和十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)中的一种或多种，优选十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12)。
进一步，电极为惰性电极，两端施加电压为3-8V。
所述调控电极表面气体的行为的方法的测试方法，具体包括以下步骤，
(1)依次配置电解液为：500mL浓度为0.1M/L的硝酸；500mL浓度为0.1M/L的氢氧化钠；500mL浓度为0.1M/L的硝酸钠；
(2)将惰性Pt片电极(1.6*0.8*0.2cm)依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净，然后置于(1)配置的电解液中；
(3)在惰性Pt片电极两端施加电压，用高速摄像机观察加入表面活性剂前后，电解液中电极表面气体的行为变化。
所述的步骤(3)中施加的电压为3.0V。
步骤(3)中电极表面气体的行为变化包括气体在电极表面的黏附状态；气体产生的多少。
在酸性和中性的电解液中，加入表面活性剂使电极表面的黏附现象发生反转甚至减弱消失。在碱性电解液中，加入表面活性剂后，随着浓度的增大正极由个别黏附至不黏附状态，负极由没有气体黏附至有气体黏附。
具体为：在酸性电解液中,加入表面活性剂前后，正、负电极表面气体的黏附现象发生反转(加入表面活性剂前正极不黏附气体，负极黏附气体；加入表面活性剂后正极黏附气体，负极不黏附气体)；在中性的电解液中，加入表面活性剂前后，正、负电极表面气体的黏附现象减弱甚至消失(加入表面活性剂前正、负极均黏附气体；加入表面活性剂后正、负极均不黏附气体)；在碱性电解液中，加入表面活性剂前后，随着表面活性剂浓度的增大，正、负电极表面气体的黏附现象呈微弱增强趋势(加入表面活性剂前，正极表面个别黏附气体，负极不黏附气体；加入表面活性剂后，正极由个别黏附至不黏附状态、负极由没有气体黏附至有气体黏附)。
上述调控电极表面气体行为的方法，用于代替传统的对电极表面结构进行改造的方法，以及用于设计具有气体行为智能调控的电极材料。
本发明的优点在于：
1、本发明提出的表面活性剂用于电极表面气体的行为调控，调控方法简单，原料易得，成本低。
2、本发明提出的表面活性剂用于电极表面气体的行为调控，可用于调控电极表面产生的氢气和氧气，在生产领域具有广泛用途。
3、本发明提出的表面活性剂用于电极表面气体的行为调控，其可以降低电极表面对气体的黏附，使其快速释放，增大电解液与电极的接触面积，加快电解速率。
4、本发明提出的表面活性剂用于电极表面气体的行为调控，表面活性剂的用量少且廉价易得，制得提倡和推广。
附图说明
图1：本发明提出的表面活性剂用于电极表面气体的行为调控的装置图。
图2：电解液为0.1M/L硝酸时，未添加表面活性剂电极表面气体的行为。
图3：电解液为0.1M/L硝酸时，添加不同浓度的表面活性剂调控电极表面气体的行为。
图3a-d：添加表面活性剂使其体积分数为0.1％、0.2％、0.3％和0.5％时，电极表面气体的行为。
图4：电解液为0.1M/L硝酸钠时，未添加表面活性剂电极表面气体的行为。
图5：电解液为0.1M/L硝酸钠时，添加不同浓度的表面活性剂调控电极表面气体的行为。
图5a-d：添加表面活性剂使其体积分数为0.1％、0.2％、0.3％和0.5％时，电极表面气体的行为。
图6：电解液为0.1M/L氢氧化钠时，未添加表面活性剂电极表面气体的行为。
图7：电解液为0.1M/L氢氧化钠时，添加不同浓度的表面活性剂调控电极表面气体的行为。
图7a-d：添加表面活性剂使其体积分数为0.1％、0.2％、0.3％和0.5％时，电极表面气体的行为。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了表面活性剂用于电极表面气体的行为调控(装置如图1所示)，包括以下步骤；
(1)依次配置电解液为：500mL浓度为0.1M/L的硝酸；500mL浓度为0.1M/L的氢氧化钠；500mL浓度为0.1M/L的硝酸钠。
(2)将惰性Pt片电极(1.6*0.8*0.2cm)依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净，然后置于(1)配置的电解液中。
(3)在惰性Pt片电极两端施加一定的电压，用高速摄像机观察加入表面活性剂前后，电解液中电极表面气体的行为变化(图2-7)。
表面活性剂用于酸性溶液中电极表面的气体行为调控，未加入表面活性剂时，负极产生的氢气黏附在电极表面(图2所示)；加入表面活性剂后，负极产生的氢气不黏附在电极表面，正极产生的氧气黏附在电极表面，且随着表面活性剂浓度的增大，黏附程度大大降低(图3a-d所示)。表面活性剂用于中性溶液中电极表面的气体行为调控，未加入表面活性剂时，正极产生的氧气和负极产生的氢气均黏附在电极的表面(图4所示)；加入表面活性剂后，正极和负极产生的气体的黏附现象会随着表面活性剂浓度的增大而消失(图5a-d所示)。表面活性剂用于碱性溶液中电极表面的气体行为调控，未加入表面活性剂时，正极和负极均没有气体黏附(图6所示)；加入表面活性剂后，随着浓度的增大正极由个别黏附至不黏附状态，负极由没有气体黏附至有气体黏附(图7a-d所示)。可以得出在酸性和中性的电解液中，加入表面活性剂会使得电极表面的黏附现象减弱甚至消失。
实施例1
本实施例提出的表面活性剂用于酸性溶液中电极表面气体的行为调控，包括以下几个步骤；
(1)配置电解液为：0.1M/L的硝酸500mL。
(2)将惰性Pt片电极(1.6*0.8*0.2cm)依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净，然后置于(1)配置的电解液中。
(3)在惰性Pt片电极两端施加一定的电压，用高速摄像机观察电极表面气体的行为(图2所示)。添加表面活性剂使其体积分数为0.1％、0.2％、0.3％和0.5％，并观察电极表面气体的行为(图3a-d所示)。
实施例2
本实施例提出的表面活性剂用于中性溶液中电极表面气体的行为调控，包括以下几个步骤；
(1)配置电解液为：0.1M/L的硝酸钠500mL。
(2)将惰性Pt片电极(1.6*0.8*0.2cm)依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净，然后置于(1)配置的电解液中。
(3)在惰性Pt片电极两端施加一定的电压，用高速摄像机观察电极表面气体的行为(如图4所示)。添加表面活性剂使其体积分数为0.1％、0.2％、0.3％和0.5％，并观察电极表面气体的行为(如图5a-d所示)。
实施例3
本实施例提出的表面活性剂用于碱性溶液中电极表面气体的行为调控，包括以下几个步骤；
(1)配置电解液为：0.1M/L的氢氧化钠500mL。
(2)将惰性Pt片电极(1.6*0.8*0.2cm)依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净，然后置于(1)配置的电解液中。
(3)在惰性Pt片电极两端施加一定的电压，用高速摄像机观察电极表面气体的行为(如图6所示)。添加表面活性剂使其体积分数为0.1％、0.2％、0.3％和0.5％，并观察电极表面气体的行为(如图7a-d所示)。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种调控电极表面气体行为的方法，包括如下步骤：在电解液中加入表面活性剂，调节气体在电极表面的黏附，其中电解液为酸性电解液、中性电解液或碱性电解液，表面活性剂的体积分数为0.1-0.5％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电解液的浓度为0.1-0.3M/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述表面活性剂为阴离子型、非离子型、两性离子型表面活性剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述表面活性剂为两性离子型表面活性剂，具体为椰油酰胺丙基甜菜碱、油酸酰胺丙基甜菜碱和十二烷基二甲基甜菜碱(BS‐12)中的一种或多种，优选十二烷基二甲基甜菜碱(BS‐12)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电极为惰性电极，两端施加电压为3-8V。
6.权利要求1-5任一项所述方法的测试过程，包括以下步骤：
(1)依次配置电解液为：500mL浓度为0.1M/L的酸性电解液；500mL浓度为0.1M/L的碱性电解液；500mL浓度为0.1M/L的中性电解液。
(2)将惰性Pt片电极依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗干净，然后置于(1)配置的电解液中；
(3)在惰性Pt片电极两端施加电压，用高速摄像机观察加入表面活性剂前后，电解液中电极表面气体的行为变化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中施加的电压为3.0V。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的步骤(3)中电极表面气体的行为变化包括气体在电极表面的黏附状态；气体产生的体积。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在酸性电解液中,加入表面活性剂前后，正、负电极表面气体的黏附现象发生反转(加入表面活性剂前正极不黏附气体，负极黏附气体；加入表面活性剂后正极黏附气体，负极不黏附气体)；在中性的电解液中，加入表面活性剂前后，正、负电极表面气体的黏附现象减弱甚至消失(加入表面活性剂前正、负极均黏附气体；加入表面活性剂后正、负极均不黏附气体)；在碱性电解液中，加入表面活性剂前后，随着表面活性剂浓度的增大，正、负电极表面气体的黏附现象呈微弱增强趋势(加入表面活性剂前，正极表面个别黏附气体，负极不黏附气体；加入表面活性剂后，正极由个别黏附至不黏附状态、负极由没有气体黏附至有气体黏附)。
10.权利要求1-5任一项所述方法的用途，用于设计具有气体行为智能调控的电极材料。
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