CN114438539B - 室温表面改性不锈钢电极、制备方法及其在碱性电解水中的应用 - Google Patents

室温表面改性不锈钢电极、制备方法及其在碱性电解水中的应用 Download PDF

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Abstract

一种室温表面改性不锈钢电极、制备方法及其在碱性电解水中的应用,属于碱性电解水技术领域。其是将铁盐与改性剂在水中进行混合制成混合溶液,室温下将不锈钢材料放入混合溶液中充分浸渍,反应完成后用水冲洗不锈钢材料除去表面残留的混合溶液;再在室温下自然干燥,即可得到表面改性不锈钢电极。铁盐为氯化铁、硫酸铁、乙酸铁等,改性剂为尿素、硼酸、磷酸二氢铵等。本发明的表面改性不锈钢电极合成方法简单,能够在室温下快速完成;易于高一致性放大合成。相比于现有碱性电解水技术应用的镍网电极,不锈钢电极自身的工业成本更低,且表面改性后的不锈钢电极电催化析氧活性比镍网电极更高,具有很大应用前景。

Description

室温表面改性不锈钢电极、制备方法及其在碱性电解水中的 应用
技术领域
本发明属于碱性电解水技术领域,具体涉及一种室温表面改性不锈钢电极、制备方法及其在碱性电解水中的应用。
背景技术
电催化水裂解是提供可持续的氢能供应的理想技术手段,该反应可分成HER(析氢反应)和OER(析氧反应)两个半反应。碱性电解水技术是比较成熟的制氢技术,但该技术下析氧电极性能还有很大提升空间。目前,Ni电极由于其廉价性和稳定性,已应用于碱性电解水技术中,但活性远不如IrO2;新开发的非贵金属催化电极材料活性已经接近甚至超过IrO2催化剂,但长期稳定性亟待提高;析氧电极工作环境苛刻,强碱强氧化条件下,催化剂极易腐蚀分解、团聚或脱落,从而失活。因此,推动碱性电解水技术进步的一个关键是发展高性能水裂解析氧电极材料。考虑到现实需求,这样的材料不仅要有高催化活性,同时必须具备长期稳定性。
商用不锈钢是一种成本较低且普遍存在的材料,其主体组分铁元素远比镍储量丰富,价格低廉得多。此外,不锈钢具有优良的导电性和耐腐蚀性,并且已被广泛认为是一种潜在的OER(析氧反应)催化剂。但是,铁基催化剂析氧性能通常远低于镍基材料,限制了其实际应用。因此,合理设计和改进不锈钢的表界面性能,创造高活性、高稳定性的表面析氧催化活性组分,是推进不锈钢电极广泛应用于碱性电解水技术的关键。
发明内容
针对现有碱性电解析氧电极的不足,本发明以不锈钢为研究对象,通过表面改性策略,使得廉价的表面改性不锈钢电极,可以在碱性电解水中得到应用。
本发明所述的室温表面改性不锈钢电极,是由如下方法制备得到:将铁盐与改性剂在水中进行混合制成混合溶液,室温下将不锈钢材料放入混合溶液中充分浸渍,反应完成后用水冲洗不锈钢材料除去表面残留的混合溶液;再在室温下自然干燥,即可得到表面改性不锈钢电极。
上述方法中,不锈钢材料为不锈钢网(40目~100目)或者不锈钢片等。
上述方法中,铁盐包括但不限于氯化铁、硫酸铁、乙酸铁等。
上述方法中,改性剂包括但不限于尿素、硼酸、磷酸二氢铵等。
上述方法中,根据不同的改性剂种类,混合溶液中的铁盐和改性剂的摩尔量比为10~20:1。
上述方法中,铁盐在混合溶液中的浓度为0.1~0.5mol/L。
上述方法中,不锈钢材料在混合溶液中浸渍的时间为1~60min。
上述方法中,反应在室温下即可进行,不需要额外引入能量。
本发明提供的合成表面改性不锈钢电极的优点有:
1、表面改性不锈钢电极的合成方法简单,能够在室温下快速完成。
2、易于高一致性放大合成,例如合成平方米级(1*1m2)的不锈钢电极。
3、相比于现有碱性电解水技术应用的镍网电极,不锈钢电极自身的工业成本更低,且表面改性后的不锈钢电极电催化析氧活性比镍网电极更高,具有很大应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的表面改性不锈钢网电极的实物照片;电极尺寸为1*1m2
图2为本发明实施例1制备的表面改性不锈钢网电极的扫描电子显微镜(SEM)照片;
图3为本发明实施例1制备的表面改性不锈钢网电极(MS/SS)和未改性不锈钢网电极(SS)在6M KOH电解液中电催化水裂解产氧性能曲线(即电流密度随可逆氢电极电势变化的曲线);
图4为本发明实施例1制备的表面改性不锈钢网电极的催化活性曲线(a)和稳定性曲线(b)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明,然而,本专利的保护范围包括但不限于以下实施例。
实施例1
在5L去离子水中加入300g六水合三氯化铁和15g尿素制成混合溶液,室温下将清洗过的1*1m2不锈钢网(40目)充分浸渍在混合溶液中,静置反应30min。将电极取出后用水冲洗干净除去表面残留的混合溶液,在室温下自然干燥,即得到表面改性不锈钢网电极。
对上述方法制得的样品进行了一些结构表征和性能测试。
图1为获得的表面改性不锈钢网电极的图片,尺寸为1*1m2,说明电极易于放大合成。图2为获得的表面改性不锈钢网电极的SEM照片,电极具有由不均匀的金属硫化物粒子组成的粗糙表面,表面。图3为获得的表面改性不锈钢网电极(MS/SS)在标准三电极电解池中进行电催化水裂解产氧的性质能曲线,未改性不锈钢网电极(SS)的性质作为对比也一同给出。电解池中工作电极为实施例1获得的表面改性不锈钢网电极(或未改性不锈钢网)所制备的自支撑电极、参比电极为Hg/HgO电极,对电极为铂丝。该材料在6M KOH碱性电解液中,电流密度为10mA cm-2时,析氧过电势为231mV,相比于未改性不锈钢网电极的过电势降低了64mV。析氧过电势的值越小,相同电流密度所需的实际电压就越低,表明不锈钢网电极的表面催化活性就越高,从而有利于析氧反应。
图4为中国船舶重工集团公司718研究所工业化测试结果,将改性的不锈钢网电极作为析氧电极,工业雷尼镍电极作为析氢电极,组装到工业上应用的碱性电解槽中进行测试,可以看出改性的不锈钢网电极(MS/SS)在相对小电流密度下(50~200mA cm-2)的活性高于工业雷尼镍电极(Raney Nickel),在大电流密度(250~300mA cm-2)下的活性和工业雷尼镍电极相当(图4a)。此外,改性的不锈钢电极维持很高的催化稳定性(图4b)。
综上,该表面改性不锈钢网电极表现出巨大的应用潜力,主要因为:(1)制备原料廉价易得;(2)室温制备、方法简单、易放大;(3)电极可在工业电解槽中高效稳定工作。
实施例2
与实施例1相同,只是将尿素的质量换成10g和20g充分浸渍30min,即可得到表面改性不锈钢网电极。在6M KOH碱性电解液中,电流密度为10mAcm-2时,过电势分别为236mV和235mV。
实施例3
与实施例1相同,只是将六水合三氯化铁的质量换成250g和450g充分浸渍30min,即可得到表面改性不锈钢网电极。在6M KOH碱性电解液中,电流密度为10mA cm-2时,过电势分别为249mV和232mV。
实施例4
与实施例1相同,只是将浸渍时间改为1min,20min,40min和50min,即可得到表面改性不锈钢网电极。在6M KOH碱性电解液中,电流密度为10mAcm-2时,过电势接近,分别为250mV,248mV,243mV和241mV。
实施例5
与实施例1相同,只是将不锈钢网换成不锈钢片,充分浸渍30min,即可得到表面改性的不锈钢片电极。在6M KOH碱性电解液中,电流密度为10mA cm-2时,过电势为240mV。
实施例6
与实施例1相同,只是将尿素换成磷酸二氢铵(9g),充分浸渍30min,即可得到表面改性不锈钢网电极。在6M KOH碱性电解液中,电流密度为10mAcm-2时,过电势为238mV。

Claims (8)

1.一种室温表面改性不锈钢电极的制备方法,其特征在于:将铁盐与改性剂在水中进行混合制成混合溶液,室温下将不锈钢材料放入混合溶液中充分浸渍,反应完成后用水冲洗不锈钢材料除去表面残留的混合溶液;再在室温下自然干燥,即可得到表面改性不锈钢电极;改性剂为尿素或磷酸二氢铵。
2.如权利要求1所述的一种室温表面改性不锈钢电极的制备方法,其特征在于:不锈钢材料为40目~100目的不锈钢网或者不锈钢片。
3.如权利要求1所述的一种室温表面改性不锈钢电极的制备方法,其特征在于:铁盐为氯化铁、硫酸铁或乙酸铁。
4.如权利要求1所述的一种室温表面改性不锈钢电极的制备方法,其特征在于:混合溶液中的铁盐和改性剂的摩尔量比为10~20:1。
5.如权利要求1所述的一种室温表面改性不锈钢电极的制备方法,其特征在于:铁盐在混合溶液中的浓度为0.1~0.5mol/L。
6.如权利要求1所述的一种室温表面改性不锈钢电极的制备方法,其特征在于:不锈钢材料在混合溶液中浸渍的时间为1~60 min。
7.一种室温表面改性不锈钢电极,其特征在于:是由权利要求1~6任何一项所述的方法制备得到。
8.权利要求7所述的一种室温表面改性不锈钢电极在碱性电解水中的应用。
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CN112962107A (zh) * 2021-01-29 2021-06-15 吉林大学 一种平方米级、高活性、高稳定性的镍电极、制备方法及其应用

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Ultrafast room-temperature synthesis of porous S-doped Ni/Fe (oxy)hydroxide electrodes for oxygen evolution catalysis in seawater splitting;Luo Yu;Energy Environ. Sci.;全文 *
Ultrafast Two-Step Synthesis of S‑Doped Fe/Ni (Oxy)Hydroxide/Ni Nanocone Arrays on Carbon Cloth and Stainless-Steel Substrates for Water-Splitting Applications;Mohammad Hafezi Kahnamouei;ACS Appl. Energy Mater;全文 *

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