CN110880607A - 双氢氧材料、制备方法、电解水催化材料、燃料电池系统及电动汽车系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双氢氧材料、制备方法、电解水催化材料、燃料电池系统及电动汽车系统。本发明的双氢氧材料，采用稀土元素掺杂可以改善过渡族金属材料表面电子结构，促进协同效应，降低反应自由能，提供丰富的活性位点种类和数量，促进电解质渗透和气泡的释放，提高双氢氧材料的电荷传输能力，从而提高双氢氧材料在电解水方面的活性。

Description

双氢氧材料、制备方法、电解水催化材料、燃料电池系统及电 动汽车系统

技术领域

本发明涉及电解水催化材料技术领域，具体涉及一种一种稀土元素掺杂的双氢氧材料及其制备方法，以及以该稀土元素掺杂的双氢氧材料为基的电解水催化材料、燃料电池系统及电动汽车系统。

背景技术

能源和环境是当代社会可持续发展的两大问题。随着工业、社会的发展以及石油等矿物能源消耗的不断增加，全球环境污染日益严重，能源资源终将枯竭，因此，寻找清洁、可持续的替代能源是人们亟需解决的问题。然而，现有的绿色能源例如风能、太阳能等的运输和存储非常不易，因此，开发存储运输便捷、高效的新能源成为人们关注的重点。

氢具有重量轻、导热性好、发热值高等优点，主要以化合物形式存在，水是含氢最多的一种化合物。并且，氢的燃烧是一个还原成水的过程，采用水分解氢，不会造成水和氢的储量下降，因此，由于电解水催化材料能够将水电解为氢气和/或氧气，从而成为新能源材料之一。然而，电解水制氢技术发展的关键是电解水催化材料的改进，现有的电解水催化材料存在活性低、制备成本高的问题，因此，研究活性高、成本低的电解水催化材料成为重要的课题。

此外，燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成能的电化学装置。通常采用燃料和氧气作为原料。氢氧燃料电池中，负极通入氢气，正极通入氧气，氢气和氧气发生反应生成水，在此过程中，电荷由外部回路返回到空气极，参与空气极的反应，从而一系列的反应促成了电子不间断地经外部回路，从而构成了发电。氢气所具有的化学能转变成了电能。

通常，燃料电池系统中，配备有氢气储存容器、空气储存容器，用于向燃料电池输送氢气和氧气，氢气储存容器用一段时间就消耗殆尽，需要及时更换，费时费力。并且氢气储存容器体积较大，不利于燃料电池系统的轻质化、微型化以及便携性。

发明内容

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种双氢氧材料，提高双氢氧材料的活性，降低双氢氧材料的成本。

为了实现上述目的，本发明提供了一种稀土元素掺杂的双氢氧材料，包括：双氢氧过渡族金属材料；以及稀土元素。

在一些实施例中，所述稀土元素为Ce、La、或Nd。

在一些实施例中，所述双氢氧过渡族金属材料的过渡族金属选自Fe和Co、或Ni 和Co任意两种组合。

在一些实施例中，双氢氧过渡族金属材料的过渡族金属与所述稀土元素的质量比为(1～3):1。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种双氢氧材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤01：提供一导电基体；

步骤02：在导电基体上生长双氢氧过渡族金属材料层；

步骤03：对双氢氧过渡族金属材料层进行酸蚀处理，将双氢氧过渡族金属材料层减薄。

在一些实施例中，还包括步骤04：在减薄后的双氢氧过渡族金属材料层上掺杂稀土元素。

在一些实施例中，所述步骤04中，采用水热法、化学共沉积法、或电化学沉积法来实现稀土元素的掺杂。

在一些实施例中，所述步骤03中，所述酸蚀处理中，采用硫酸、盐酸、硝酸、杂多酸的一种。

在一些实施例中，所述杂多酸为磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸的一种或多种。

在一些实施例中，所述步骤03中，所述酸蚀处理的PH值不大于5，处理时间不大于1小时。

在一些实施例中，所述步骤03中，所述酸蚀处理的PH值不小于1，所述处理时间为5秒～10分钟。

在一些实施例中，所述步骤03中，减薄所述双氢氧过渡族金属材料层至1～2个原子层。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种电解水催化材料，包括上述的双氢氧材料。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种燃料电池系统，包含上述的双氢氧材料作为电解水制氢材料。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种电动汽车系统，包含上述的双氢氧材料作为电解水制氢材料。

本发明的双氢氧材料，采用稀土元素掺杂，稀土元素可以改善过渡族金属材料表面电子结构，促进协同效应，降低反应自由能，提供丰富的活性位点种类和数量，促进电解质渗透和气泡的释放，提高双氢氧材料的电荷传输能力，从而提高双氢氧材料在电解水方面的活性。并且，采用酸蚀减薄处理双氢氧过渡族材料层，调节双氢氧过渡族材料层的表面形貌，减薄双氢氧过渡族金属材料层，暴露出更多活性位点，酸蚀处理过程会产生许多金属空位和氧空位，增加双氢氧过渡族金属材料层的活性位点；并且酸根中的元素掺杂进入双氢氧过渡族金属材料层的晶格中调节过渡族金属的电子构型从而增强协同效应，提高双氢氧材料的活性。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的双氢氧材料的制备方法的流程示意图

图2为本发明的一个实施例的新型燃料电池系统的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的电解制氢氧装置的组装结构示意图；

图4为本发明的一个实施例的电解制氢氧装置的局部剖面结构示意图；

图5为本发明的一个实施例的第一槽片的结构示意图；

图6为图5的第一槽片的侧面结构示意图；

图7为沿图4中AA’方向的第一槽片的截面示意图；

图8为沿图4中BB’方向的第二槽片的截面示意图；

图9为本发明的一个实施例的第一槽片中的第一电极片的示意图；

图10为本发明的一个实施例的第一槽片和第一电极片的组装结构示意图；

图11为本发明的一个实施例的第二槽片和第二电极片的组装结构示意图；

图12为本发明的一个实施例的第一密封膜的示意图；

图13为本发明的一个实施例的第一密封膜与第一电极片的组装示意图；

图14为本发明的一个实施例的第三密封膜的示意图；

图15为本发明的一个实施例的质子交换膜的示意图；

图16为本发明的一个实施例的第三密封膜与质子交换膜的组装示意图；

图17为本发明的一个实施例的制氢单元的分解装配示意图；

图18为本发明的一个实施例的制氧单元的分解装配示意图；

图19为本发明的一个实施例的第制氢单元与制氧单元的分解装配示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合具体实施例，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

本实施例中，稀土元素掺杂的双氢氧材料，包括：双氢氧过渡族金属材料以及稀土元素。稀土元素可以为Ce、La、或Nd的一种；双氢氧过渡族金属材料的过渡族金属可以选自Fe和Co，也可以选自Ni和Co。为了达到最佳活性，双氢氧过渡族金属材料的过渡族金属与所述稀土元素的质量比为(1～3):1。设稀土元素掺杂的双氢氧材料的表达式为LDH X-Y-RELDH。其中，X和Y为过渡族金属元素，RE为稀土元素。则较佳的，X:Y:DE＝1:1:1，2:1:1，2:1:2，1:1:1，4:1:5，或10:3:7。

请参阅图1，以下来描述本实施例的双氢氧材料的制备方法，包括：

步骤01：提供一导电基体；

具体的，导电基体可以为任意导电多孔结构，比如泡沫镍。

步骤02：在导电基体上生长双氢氧过渡族金属材料层；

具体的，可以但不限于采用电沉积或水热的方式在导电基体上生长一层双氢氧过渡族金属材料层。

步骤03：对双氢氧过渡族金属材料层进行酸蚀处理，将双氢氧过渡族金属材料层减薄。

具体的，酸蚀处理中，采用硫酸、盐酸、硝酸、杂多酸的一种。杂多酸可以选自有机酸无机酸等，较佳的，杂多酸可以为磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸的一种或多种。酸蚀处理的PH值不大于5，处理时间不大于1小时，较佳的，酸蚀处理的PH值还不小于1，处理时间为5秒～10分钟。例如，PH值可以为1、2、3、4、5，处理时间可以为5秒，20秒，1分钟，5分钟，10分钟，1小时。

这里，采用酸蚀减薄处理双氢氧过渡族材料层，调节双氢氧过渡族材料层的表面形貌，减薄双氢氧过渡族金属材料层，暴露出更多活性位点，酸蚀处理过程会产生许多金属空位和氧空位，增加双氢氧过渡族金属材料层的活性位点；并且酸根中的元素掺杂进入双氢氧过渡族金属材料层的晶格中调节过渡族金属的电子构型从而增强协同效应，提高双氢氧材料的活性。

此外，为了得到掺杂有稀土元素的双氢氧过渡族金属材料，步骤03之后还可以包括：

步骤04：在减薄后的双氢氧过渡族金属材料层上掺杂稀土元素。

具体的，可以但不限于采用水热法、化学共沉积法、或电化学沉积法来实现稀土元素的掺杂。

这里，采用稀土元素掺杂，稀土元素可以改善过渡族金属材料表面电子结构，促进协同效应，降低反应自由能，提供丰富的活性位点种类和数量，促进电解质渗透和气泡的释放，提高双氢氧材料的电荷传输能力，从而提高双氢氧材料在电解水方面的活性。

本实施例中的上述双氢氧材料可以作为电解水催化材料，可以应用于燃料电池系统、电动汽车系统等需要氢气的器件或系统中。

以下具体描述本发明的燃料电池系统、电动汽车系统的结构。

请参阅图2，本实施例的一种新型燃料电池系统，包括：燃料电池组件、电解水设备、水容器、风机。

具体的，燃料电池组件用于向外界产生电能；电解水设备与燃料电池组件连接，用于向燃料电池组件中输送氢气；水容器与电解水设备连接，用于向电解水设备输送水；燃料电池组件还具有一水循环通道，与水容器连接，燃料电池组件消耗氢气反应生成的水通过所述水循环通道输送到水容器中；此外，燃料电池组件还具有一电路与所述电解水设备连接，使得燃料电池组件产生的电能传输给电解水制氢设备。例如，当燃料电池组件不向外界供电或者向外界供电之后还有剩余电量时，可以供给给电解水装置，从而减小外界能量的供给，提高能源利用率。

这里，风机与燃料电池组件连接，用于向燃料电池组件输送空气。燃料电池反应过程中需要氧气的浓度不能太高，因此，通过风机吸入空气中含有一定比例的氧气相当于对氧浓度进行了稀释，满足燃料电池组件对氧浓度的要求。

这里，需要说明的是，电解水设备可以为电解水产氢设备，也可以为电解水产氢氧设备，针对电解水产氢氧设备，需要将氧气通过排气管道排出。氧气通过排气管道排出到外界，也可以采用收集装置收集起来，也可以将排气管道连接室内空调系统。

针对室内空调系统，可以设置氧液压监控单元，用于实时监控空调内的氧含量。还可以设置换气单元将从排气管出来的氧气释放到室内。室内空调系统还可以设置氧浓度检测器，来检测室内的氧浓度，从而控制室内空调系统释放氧气的流速。燃料电池组件还具有一电路与电解水设备连接，使得燃料电池组件产生的电能传输给电解水制氢设备，从而实现电能的循环利用，减少外界供给，提高能源利用率。

在上述燃料电池系统的基础上，还可以设计发电系统。进一步的，燃料电池组件连接有二级电池组件，二级电池组件可以存储电能，并且能够对电压进行转换，以适应各种电路的需求。在二级电池组件上还可以设置USB接口，对外界传输电能更加方便。

此外，本实施例中还可以提供一种电动汽车，采用上述的燃料电池系统。

接下来，具体描述本实施例中可以采用的电解水制氢氧装置。该电解水制氢氧装置包括堆叠设置的制氢单元和制氧单元。两条气路通道分别为制氢气路通道和制氧气路通道，这两条通道均穿透制氢单元的顶部和制氧单元顶部，并且制氢气路通道与制氢单元相连通，制氧气路通道与制氧单元相连通；且两条液路通道包括制氢液路通道和制氧液路通道，这两条液路通道均穿透制氢单元的底部和制氧单元的底部，其中制氢液路通道与制氢单元相连通，制氧液路通道与制氧单元相连通。

请参阅图3和图4，图4中为了显示出制氢气路通道、制氧气路通道、制氢液路通道和制氧液路通道以及第一电极片和第二电极片的位置关系，将用于遮挡的部分都抛开，同时虚线框中也将部分第一槽片和第二槽片去除掉来显示出制氢气路通道、制氧气路通道、制氢液路通道和制氧液路通道。制氢单元H和制氧单元0堆叠设置。在制氢单元H和制氧单元0的顶部具有制氢气路通道A1和制氧气路通道(图2中制氧单元顶部的带有沙粒填充图案的通孔所连接的，由于A1遮挡，制氧气路通道未示出)。制氢气路通道A1穿透制氢单元H和制氧单元0，制氧气路通道A1穿透制氢单元H和制氧单元O。制氢气路通道A1与制氢单元H相连通，制氧气路通道与制氧单元O相连通。此外，在制氢单元H和制氧单元O的底部具有制氢液路通道A2和制氧液路通道(图 4中制氧单元底部的带有沙粒填充图案的通孔所连接的，由于A2遮挡，制氧液路通道未示出)。制氢液路通道A1穿透制氢单元H和制氧单元O，制氧液路通道穿透制氢单元H和制氧单元O，其中制氢液路通道A2与制氢单元H相连通，制氧液路通道与制氧单元O相连通。

以下具体来看本实施例的制氢单元的结构和制氧单元的结构。

请参阅图4～10、图17，制氢单元H包括：两片第一槽片01以及夹设于两片第一槽片01之间的第一密封膜M11和第一电极片031。请参阅图18，制氧单元O包括：两片第二槽片02，夹设于两片第二槽片02之间的第二密封膜M12和第二电极片032。多个制氢单元H与多个制氧单元O交替排布且堆叠夹紧设置。在制氢单元H和制氧单元O之间采用质子交换膜来隔离。

本实施例中，请参阅图5，第一槽片01和第二槽片的外形尺寸和结构可以完全相同，外形尺寸为100mm*80mm*6mm(高*宽*厚)，内部容纳电解液部分尺寸为80 mm*64mm*6mm(高*宽*厚)。请参阅图13并结合图5，第一密封膜M11的形状与第一槽片01的形状相同，请结合图18，第二密封膜M12的形状与第一密封膜M11的形状相同，第二密封膜M12的形状与第二槽片02的形状相同。

较佳的，为了提高密封效果，如图15所示，在质子交换膜Z外围设置有第三密封膜M3，请结合图3，第三密封膜M3也夹设于制氢单元H和制氧单元O之间。

为了进一步简化制备工艺，第一槽片01、第二槽片02、第一密封膜M11、第二密封膜M12和第三密封膜M13的形状、结构和尺寸相同。

第一密封膜M11、第二密封膜M12和第三密封膜M3的材料可以为聚四氟乙烯。在第一槽片01的表面可以覆盖包裹上聚四氟乙烯，在第二槽片02的表面可以覆盖包裹上聚四氟乙烯，提高抗强碱腐蚀。

第一槽片01和第二槽片02可以采用玻璃、不锈钢、金属等材质，聚四氟乙烯可以采用电镀方式镀在其表面。

如图3和4所示，为了进一步夹紧堆叠交替的制氢单元H和制氧单元O，在堆叠的制氢单元H和制氧单元O的两侧外表面设置有外层槽片04，外层槽片04边缘开设有侧孔，如图19中所示的外层槽片04，通过螺栓05插入侧孔中拧紧来夹紧堆叠的制氢单元H和制氧单元O。在外层槽片04的表面覆盖有聚四氟乙烯，提高抗强碱腐蚀。这里，请结合图3、4和图17～19，第一槽片01、第二槽片02、第一密封膜M11、第二密封膜M12和第三密封膜M3的边缘都开设有侧孔，且这些结构之间的侧孔通过第一槽片01、第二槽片02、第一密封膜M11、第二密封膜M12和第三密封膜M3的堆叠而连通，使得螺栓05可以穿透这些侧孔而使得两片外层槽片04向内夹紧。

这里，在外层槽片04和制氢单元H、制氧单元O之间还夹设有第四密封膜M2，如图19所示。可以结合图10，第四密封膜M2的形状和结构与第一密封膜M11相同。

接下来，详细描述本实施例的第一槽片01、第二槽片02、第一密封膜M11、第二密封膜M12、第三密封膜M3、第一电极片031、第二电极片032和质子交换膜Z之间的具体结构及其之间的配合关系。

请再次参阅图5～8并结合图3、图4和图12，制氢单元中，第一槽片01具有第一镂空区域，第一密封膜M11具有与第一镂空区域相匹配的第二镂空区域，两片第一槽 01的第一镂空区域以及第一密封膜M11的第二镂空区域经堆叠构成第一反应腔。

请参阅图5～7，图5为第一槽片01的主视结构示意图，图7为第一槽片01的沿图 4中AA’方向的截面结构示意图，图6为第一槽片01的侧视示意图，图6中虚线表示第一顶部槽孔101和第三底部槽孔103的位置。请参阅图5，第一槽片01顶部具有第一顶部槽孔101、第二顶部槽孔102以及位于第一顶部槽孔101和第二顶部槽孔102之间的第一顶部半通孔106；请参阅图7，第一顶部槽孔101在横向上穿透第一槽片01 且在纵向上与第一镂空区域连通；第二顶部槽孔102仅在横向上穿透第一槽片01但不与第一镂空区域连通；请结合图4，堆叠的第一槽片01使得第一顶部槽孔101横向上连通形成第一气路通道，第二顶部槽孔102横向上连通形成第二气路通道；第一气路通道通过第一顶部槽孔101与第一反应腔连通；

请参阅图5～7，第一槽片01底部具有第一底部槽孔103、第二底部槽孔104；请参阅图7，第一底部槽孔103在横向上穿透第一槽片01且在纵向上与第一镂空区域连通；第二底部槽孔104仅在横向上穿透第一槽片01但不与第一镂空区域连通，堆叠的第一槽片01使得第一底部槽孔103横向上连通形成第一液路通道，第二底部槽孔104横向上连通形成第二液路通道；第一液路通道通过第一底部槽孔103与第一反应腔连通。

请参阅图9和图10，再来看第一电极片031和第一顶部半通孔106的配合关系，两片第一槽片01紧密堆叠使得相邻的第一顶部半通孔106对准形成第一顶部通孔；第一电极片031穿过第一顶部通孔插入到第一反应腔中。

请参阅图12和图5，第一密封膜M11的结构和形状与第一槽片01的相同。均具有顶部的通气槽孔和通液槽孔，以及侧边的侧孔。这都是用于本实施例的制氢氧配组装置的装配所设计的。如图13所示，为第一电极片031和第一密封膜M11的组装关系，第一密封膜M11由于与第一槽片01的形状和结构相同，因此，当第一电极片031插入到第一槽片01构成的第一反应腔中时，第一密封膜M11起到密封第一反应腔的作用。具体方式为两片第一密封膜M11夹住第一电极片031，从而起到密封保护作用。

请参阅图8和图18并结合图3和图4，制氧单元O中，两片第二槽片02呈加紧状态，使得第二槽片02具有第三镂空区域，第二密封膜M12具有与第三镂空区域相匹配的第四镂空区域，两片第二槽片02的第三镂空区域以及第二密封膜M12的第四镂空区域经堆叠构成第二反应腔；

请参阅图7和图8，第二槽片02的结构和第一槽片01的结构形状完全相同，从主视图上看完全相同，唯一区别在于，顶部槽孔结构不同。请参阅图8，第二槽片02顶部具有第三顶部槽孔202、第四顶部槽孔201以及位于第三顶部槽孔202和第四顶部槽孔201之间的第二顶部半通孔206；第三顶部槽孔202在横向上穿透第二槽片02且在纵向上与第三镂空区域连通；第三顶部槽孔202仅在横向上穿透第二槽片02但不与第三镂空区域连通；堆叠的第二槽片02使得第三顶部槽孔202横向上连通形成第三气路通道，第四顶部槽孔201横向上连通形成第四气路通道；第三气路通道通过第二顶部槽孔202与第二反应腔连通。

请参阅图8，第二槽片02底部具有第三底部槽孔203、第四底部槽孔204；第三底部槽孔203在横向上穿透第二槽片02且在纵向上与第三镂空区域连通；第四底部槽孔 204仅在横向上穿透第二槽片02但不与第三镂空区域连通，堆叠的第二槽片02使得第三底部槽孔203横向上连通形成第三液路通道，第四底部槽孔204横向上连通形成第四液路通道；第三液路通道通过第三底部槽孔203与第二反应腔连通；其中，第一气路通道和第四气路通道构成制氢气路通道A1，第二气路通道和第三气路通道构成制氧气路通道；第一液路通道和第四液路通道构成制氢液路通道A2，第二液路通道和第三液路通道构成制氧液路通道。也即是，第一气路通道和第四气路通道为通一通道，第二气路通道和第三气路通道为同一通道。第一液路通道和第四液路通道为同一通道，第二液路通道和第三液路通道为同一通道。

本实施例中，请参阅图7和图8，第二顶部半通孔206的结构与第一顶部半通孔 106相同，请结合图11，第二顶部半通孔206与第二电极片032的配合关系与图10中第一顶部半通孔106与第一电极片031的配合关系相同。两片第二槽片02紧密堆叠使得相邻的第二顶部半通孔206对准形成第二顶部通孔；第二电极片032穿过第二顶部通孔插入到第二反应腔中。

请再次参阅图18和图13，这里的第二电极片031和第二密封膜M12的组装关系，第二密封膜M12由于与第二槽片02的形状和结构相同，因此，当第二电极片032插入到第二槽片02构成的第二反应腔中时，第二密封膜M12起到密封第二反应腔的作用。具体方式为两片第二密封膜M12夹住第二电极片032，从而起到密封保护作用。

请参阅图14，本实施例中的第三密封膜M3与上述第一镂空区域、第二镂空区域、第三镂空区域、第四镂空区域相配合的设置有第五镂空区域。第五镂空区域与第一镂空区域、第三镂空区域相匹配且比第一镂空区域和第二镂空区域小，将质子交换膜与第三密封膜M3叠置时，会出现重合区域。此外，第三密封膜M3顶部设置有第五顶部槽孔(图14中左上)和第六顶部槽孔(图14中右上)，请结合图7和8，第五顶部槽孔与第一顶部槽孔101、第三顶部槽孔202相配合，第六顶部槽孔与第二顶部槽孔102、第四顶部槽孔201相配合；第三密封膜M3底部设置有第五底部槽孔(图14中左下)和第六底部槽孔(图14中右下)，第五底部槽孔与第一底部槽孔103、第三底部槽孔203相配合，第六底部槽孔与第二底部槽孔104、第四底部槽孔204相配合。

需要说明的是，本实施例中，第一槽片01、第二槽片02、第一密封膜M11、第二密封膜M12、以及第四密封膜的结构和形状、尺寸可以完全相同。这样使得制备工艺更简单。

此外，请参阅图15并结合图19，质子交换膜Z起到隔离制氢单元H和制氧单元 O的作用。这里，请结合图14，夹设于第一槽片01和第二槽片01之间的质子交换膜 Z与第三密封膜M3叠置时，也遮挡住第三镂空区域。质子交换膜Z的面积可以大于第一镂空区域，也大于第二镂空区域，此时，质子交换膜Z的边缘与第三密封膜M3有部分重叠。质子交换膜的厚度可以小于1mm。如图16所示，为质子交换膜Z与第三密封膜M3叠置时的组装结构。

本实施例中，第一电极片031和第二电极片032采用负载有催化剂的泡沫镍片，形状可以为长方形等，每个制氢单元H之间的电极连接方式为并联。第一电极片031 为阴极，第二电极片032为阳极。

请参阅图19，图19中只是示例出了一个制氢单元和一个制氧单元来示例出制氢单元、制氧单元与第四密封膜、质子交换膜和第三密封膜以及外层槽片的组装配合关系，但不用于限制本发明的保护范围。与本实施例的电解制氢氧配组装置中，制氢单元H 和制氧单元O可以分别不少于3组。在一测试试验中，制氢单元为3组，制氧单元为 3组，制氢单元的3组并联，制氧单元的3组并联，电解液组份为氢氧化钾浓度为5.3％ (重量百分比)，溶液用量400mL，电压2V，电流21安培，时间30分钟，试验结果为，得到氢气4.86L，氧气2.43L，共耗电0.021度(约4.3kWh/Nm3 H2)，电解效率为83％。由此可见，本实施例的电解制氢氧配组装置，不仅结构简单，而且电解效率得到有效提升。

接下来，详细描述本实施例的上述电解制氢氧装置的制备方法，包括：

步骤1：制备制氢单元和制氧单元；

具体的，本步骤1包括如下步骤：

步骤101：制备两片第一槽片、制备第一密封膜和第一电极片；制备两片第二槽片、制备第二密封膜和第二电极片；以及制备质子交换膜；

步骤102：将第一密封膜和第一电极片夹设在两片所述第一槽片之间构成制氢单元，将第二密封膜和第二电极片夹设在两片所述第二槽片之间构成制氧单元；将质子交换膜夹设在所述制氢单元和所述制氧单元之间；

步骤103：将所述制氢单元、所述制氧单元以及夹设在所述制氢单元和所述制氧单元之间的质子交换膜夹紧呈压缩状态；其中，所形成的制氢单元和制氧单元为本实施例上述描述的制氢单元和制氧单元，可以参见上述描述，这里不再赘述。

这里，由于多个制氢单元与制氧单元交替排布且堆叠夹紧设置；外层槽片边缘开设有侧孔；步骤102中，堆叠的制氢单元和制氧单元的两侧外表面还设置有外层槽片。

步骤103中，通过螺栓插入侧孔中拧紧来夹紧且压缩堆叠的制氢单元和制氧单元。

步骤2：将制氢单元和制氧单元堆叠设置，从而形成制氢气路通道和制氧气路通道穿透所述制氢单元的顶部和制氧单元顶部，制氢液路通道和制氧液路通道穿透所述制氢单元的底部和制氧单元的底部。

因此，本实施例的电解制氢氧配组装置结构简单，制备方法大为简化，提高了生产效率，特别适用于大规模生产。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (15)

1.一种稀土元素掺杂的双氢氧材料，其特征在于，包括：双氢氧过渡族金属材料；以及稀土元素。

2.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂的双氢氧材料，其特征在于，所述稀土元素为Ce、La、或Nd。

3.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂的双氢氧材料，其特征在于，所述双氢氧过渡族金属材料的过渡族金属选自Fe和Co、或Ni和Co任意两种组合。

4.根据权利要求1所述的稀土元素掺杂的双氢氧材料，其特征在于，双氢氧过渡族金属材料的过渡族金属与所述稀土元素的质量比为(1～3):1。

5.一种双氢氧材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤01：提供一导电基体；

步骤02：在导电基体上生长双氢氧过渡族金属材料层；

步骤03：对双氢氧过渡族金属材料层进行酸蚀处理，将双氢氧过渡族金属材料层减薄。

6.根据权利要求5所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤04：在减薄后的双氢氧过渡族金属材料层上掺杂稀土元素。

7.根据权利要求6所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，采用水热法、化学共沉积法、或电化学沉积法来实现稀土元素的掺杂。

8.根据权利要求5所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，所述酸蚀处理中，采用硫酸、盐酸、硝酸、杂多酸的一种。

9.根据权利要求8所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，所述杂多酸为磷钨酸、硅钨酸、磷钼酸的一种或多种。

10.根据权利要求9所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，所述酸蚀处理的PH值不大于5，处理时间不大于1小时。

11.根据权利要求10所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，所述酸蚀处理的PH值不小于1，所述处理时间为5秒～10分钟。

12.根据权利要求5所述的双氢氧材料的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，减薄所述双氢氧过渡族金属材料层至1～2个原子层。

13.一种电解水催化材料，其特征在于，包括权利要求1所述的双氢氧材料。

14.一种燃料电池系统，其特征在于，包含权利要求1所述的双氢氧材料作为电解水制氢材料。

15.一种电动汽车系统，其特征在于，包含权利要求1所述的双氢氧材料作为电解水制氢材料。

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