一种磁化电极加强催化水分解OER反应的方法

一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法
技术领域
1.本发明属于电催化产氢技术领域，涉及一种磁化电极加强水分解析氧反应(oer反应)的方法。


背景技术：

2.随着科技的进步，人们对能源的需求愈发强烈，而传统的化石燃料能源地球储量有限，且不可再生，所以把目光聚焦在新能源的开发上是社会发展的必经之路。氢能源能量密度高，而且使用之后的产物只有水，没有碳排放，对环境友好，是最有发展前途的新能源之一。目前产氢方式主要是矿物燃油制氢和电解水制氢。电解水产氢纯度高，遗憾的是目前电解水产氢的成本相对较高，因此，长期以来研究人员一直积极研究催化水分解产氢。而水分解的限速步骤是其中的析氧反应(oer反应)的四电子传质过程，其动力学缓慢，理论分解电压是1.23v，而实际的分解电压往往会高出许多(过电位)，所以找到合适的电催化剂是降低水分解成本的关键。近年来，研究者发现贵金属钌和铱及其氧化物的oer催化性能优越，但贵金属资源稀缺，价格昂贵，所以，寻找成本更低的电催化材料及电催化方法是目前研究重点。随着研究的深入，人们发现资源丰富的过渡金属fe、co、ni及其化合物可以成为贵金属电催化剂的替代品。而fe、co、ni及其氧(氢氧)化物是铁磁性材料，利用这一特点，最近，有研究者在使用这些催化材料的电催化方法上有所创新；有资料报道，通过外加磁场的办法可以给oer反应带来积极的效果，如：felipe a[1]等人采用niznfe4ox混合氧化物做阳极，在施加450mt的外加磁场下，oer本征催化活性提高了约40％。哈尔滨工业大学的徐平教授课题组人员[3]研究了镍基催化剂(ni(oh)2、nio和ni)在可精确调控外加磁场作用下的析氧反应(oer)行为，发现在磁场作用下不同催化剂的过电位有不同幅度的降低
…
最近几年，不断有对外加磁场对不同磁性催化材料增强水分解电催化反应的报道出现，将磁引入催化电解水已经成为近两年的研究热点。
[0003]
然而，本发明者认为：按工艺要求来说，外加磁场必须要在电解水的电解槽外面添加磁场发生装置，这不仅会增加电解水固定设备的成本，另外，由于电解水过程中必须长时间地施加外强磁场，这必定会使周边的工作人员长期处在磁场辐射之中，这对周围工人的身体健康必将带来严重危害。所以，为了避免上述缺点，本发明者提出了以下发明。


技术实现要素：

[0004]
为了克服现有技术存在的不足，本发明的主要目的是不用外加磁场，可以达到磁性加强水分解的oer反应的目的。本发明提供了一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法。
[0005]
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]
一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法，该方法首先选择或者合成导电金属(或金属化合物)磁性材料，然后将该磁性材料用电磁铁或者永久磁铁对其进行充磁，然后，将充磁后的导电金属(或金属化合物)磁性材料直接或辅助用作为电化学水分解反应的
阳极电极，磁性材料在磁化之后无需施加外磁场，直接进行电催化水分解的oer反应，使电催化水分解的催化效率得以大大提高。
[0007]
进一步的，如上所述一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法，所选择或者合成的导电金属(或金属化合物)材料，是一种含有fe、co、ni元素或者含有它们的组合的材料，该材料可以是铁磁性材料、亚铁磁性材料或者顺磁性材料。
[0008]
进一步的，如上所述一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法，所选择磁性材料的充磁方法可为1：将永久性磁铁在如上所述的(成型后的)磁性材料上方、下方或某个侧面，朝着一个方向来回往复式运动做功(也可以永久磁铁不动，而由磁性材料运动做功)，同时用高斯仪测量该磁性材料的磁场强度，永久性磁铁的来回往复式运动做功直到该磁性材料的磁场强度不再增加为止(表示磁已经充满)；所选择磁性材料的充磁方法还可为2：把如上所述的磁性材料放入到一个具有一定磁场强度的电磁铁的磁场范围内，通过往复通电，来对该磁性材料进行充磁，并用高斯仪测量该磁性材料的磁场强度，直到达到设计的磁场强度为止。
[0009]
进一步的，如上所述一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法，所述的将充磁后的导电金属(或金属化合物)磁性材料直接或辅助用作为电化学水分解反应的阳极电极的方法是：将该磁性材料加工制造成型，制成：板、条、棒等多种形态的电极极板的形式，直接用作于电化学水分解反应的阳极；或者是将该磁性材料通过涂、镀、粘接的方式，制备到导电电极载体(如导电金属极板、石墨块、碳布、泡沫镍、金刚石电极、玻璃电极
…
等导电电极载体)上，制造成含有该磁性材料的电极极板，然后用作于电化学水分解反应的阳极。
[0010]
进一步的，如上所述一种磁化电极加强催化水分解oer反应的方法，所述的该磁性材料在磁化之后无需施加外磁场，直接进行电催化水分解的oer反应的催化效率可以采用电化学工作站对该反应进行动力学跟踪，把充磁后的该磁场材料和没有充磁的该磁性材料分别作为阳极，看电解水的oer反应产生氧气的电流密度为10ma/dm2时的起始过电位的前后对比值来进行判断。
[0011]
本发明方法的有益效果是：
[0012]
1、本发明方法克服了外加磁场法必须要在电解水的电解槽外面添加磁场发生装置，这会增加电解水固定设备的成本，不便于推广的缺点。
[0013]
2、本发明方法克服了外加磁场方法因电解水过程中必须长时间地施加外强磁场，这会使周边的工作人员长期处在磁场辐射之中，对周围工人的身体健康带来严重危害的缺点。
附图说明
[0014]
图1～图4为本发明实施例1～4中不同电极材料做阳极电解水时，不磁化和磁化后的oer反应(析氧反应)的lsv对比图。其中：
[0015]
图1中a为空白泡沫镍的析氧反应lsv曲线图，b为磁化后的泡沫镍的析氧反应lsv曲线图。
[0016]
图2中a为空白泡沫镍铁的析氧反应lsv曲线图，b为磁化后的泡沫镍铁的析氧反应lsv曲线图。
[0017]
图3中a为空白泡沫钴镍的析氧反应lsv曲线图，b为磁化后的泡沫钴镍的析氧反应
lsv曲线图。
[0018]
图4中a为未磁化fe3o4纳米粒子催化剂的析氧反应lsv曲线图，b为磁化后的fe3o4纳米粒子的析氧反应lsv曲线图。
具体实施方式
[0019]
为了更好的理解本发明，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。
[0020]
实施例1
[0021]
1、本实施例选择的磁性材料为两块泡沫镍(以下简称nf)，尺寸为1.5*1.0*0.1cm。
[0022]
2、将未充磁的一块nf放入0.5mol/l的硫酸中(超声波条件下)浸泡1min，除去表面氧化层，用去离子水冲洗3遍，晾干，备用(用高斯仪测得该块未磁化的nf的磁场强度为0.04mt)。
[0023]
3、将上述另一块nf,酸洗(同上)、再用去离子水冲洗3遍，然后用0.3t(特斯拉)的永久磁铁对该nf进行磁化充磁，充磁的方法是手拿着该块泡沫镍，在上述永久磁铁上方来回悬空擦拭20～30次，然后用高斯仪测其磁场强度，测得该泡沫镍的磁强为0.84mt(后不再增加)。然后用该充磁后的nf备用。
[0024]
4、oer性能测试：在电化学工作站中，采用三电极系统，分别将未磁化的nf电极和充磁后的nf电极做阳极，铂片电极做阴极，甘汞电极做参比电极，在1mol/l的氢氧化钾溶液中，进行水分解oer反应的电化学性能测试，得空白nf和充磁后的nf的lsv曲线对比图(见说明书附图1)。
[0025]
从图中我们可以明显看出：充磁后的nf做阳极的oer析出过电位要比未充磁的nf做阳极的低得多，(当oer反应产生氧气的电流密度为10ma/cm2时，充磁后的nf做阳极的析氧过电位为：371mv，未充磁的nf做阳极的析氧过电位为：430mv)；而且，同样外加电位下，其oer析出电流要明显大很多，也就是：内部充磁大大提高了磁性材料催化nf电极对电催化水分解oer反应的催化效率。
[0026]
实施例2
[0027]
1、本实施例选择的磁性材料为两块泡沫镍铁(以下简称feni)，尺寸为1.5*1.0*0.1cm。
[0028]
2、将未充磁的一块feni放入0.5mol/l的硫酸中(超声波条件下)浸泡1min，除去表面氧化层，用去离子水冲洗3遍，晾干，备用(用高斯仪测得该块未磁化的feni的磁场强度为0.28mt)。
[0029]
3、将上述另一块feni,酸洗(同上)、再用去离子水冲洗3遍，然后用0.3t(特斯拉)的永久磁铁对该feni进行磁化充磁，充磁的方法是手拿着该块泡沫镍铁，在上述永久磁铁上方来回悬空擦拭20～30次，然后用高斯仪测其磁场强度，测得该泡沫镍铁的磁强为0.98mt(后不再增加)。然后用该充磁后的feni备用。
[0030]
4、oer性能测试：在电化学工作站中，采用三电极系统，分别将未磁化的feni电极和充磁后的feni电极做阳极，铂片电极做阴极，甘汞电极做参比电极，在1mol/l的氢氧化钾溶液中，进行水分解oer反应的电化学性能测试，得空白feni和充磁后的feni的lsv曲线对比图(见说明书附图2)。
[0031]
从图中我们可以明显看出：充磁后的feni做阳极的oer析出过电位要比未充磁的feni做阳极的低得多，(当oer反应产生氧气的电流密度为10ma/cm2时，充磁后的feni做阳极的析氧过电位为：360mv，未充磁的feni做阳极的析氧过电位为：412mv)；而且，同样外加电位下，其oer析出电流要明显大很多，也就是：内部充磁大大提高了磁性材料催化feni电极对电催化水分解oer反应的催化效率。
[0032]
实施例3
[0033]
1、本实施例选择的磁性材料为两块泡沫镍钴(以下简称coni)，尺寸为1.5*1.0*0.1cm。
[0034]
2、将未充磁的一块coni放入0.5mol/l的硫酸中(超声波条件下)浸泡1min，除去表面氧化层，用去离子水冲洗3遍，晾干，备用(用高斯仪测得该块未磁化的coni的磁场强度为0.41mt)。
[0035]
3、将上述另一块coni,酸洗(同上)、再用去离子水冲洗3遍，然后用0.3t(特斯拉)的永久磁铁对该coni进行磁化充磁，充磁的方法是手拿着该块泡沫镍钴，在上述永久磁铁上方来回悬空擦拭20～30次，然后用高斯仪测其磁场强度，测得该泡沫镍钴的磁强为1.12mt mt(后不再增加)。然后用该充磁后的coni备用。
[0036]
4、oer性能测试：在电化学工作站中，采用三电极系统，分别将未磁化的coni电极和充磁后的coni电极做阳极，铂片电极做阴极，甘汞电极做参比电极，在1mol/l的氢氧化钾溶液中，进行水分解oer反应的电化学性能测试，得空白coni和充磁后的coni的lsv曲线对比图(见说明书附图3)。
[0037]
从图中我们可以明显看出：充磁后的coni做阳极的oer析出过电位要比未充磁的coni做阳极的低得多，(当oer反应产生氧气的电流密度为10ma/cm2时，充磁后的coni做阳极的析氧过电位为：312mv，未充磁的coni做阳极的析氧过电位为343mv)；而且，同样外加电位下，其oer析出电流要明显大很多，也就是：内部充磁大大提高了磁性材料催化coni电极对电催化水分解oer反应的催化效率。
[0038]
实施例4
[0039]
1、制备两块fe3o4纳米粒子磁性材料电极：称取fe3o4纳米粒子催化剂50mg与0.3ml的faa-3(中文名：阴离子交换溶液)离聚物混合，再将乙醇：去离子水＝3:1(体积比)填充在前面的粒子混合物中至1ml。摇晃至均匀，再将其均匀地喷涂在提前准备好的1*1.5cm的碳布上，制成负载量为50mg/cm-2
的碳布催化电极，在烘箱内60℃干燥一小时，备用。
[0040]
2、将按上述方法制备好好的一块fe3o4纳米粒子磁性材料电极用高斯仪测量磁场强度为0.09mt，将另外一块fe3o4纳米粒子磁性材料电极按本发明方法充磁后，测得其磁化后的磁场强度为0.72mt。
[0041]
3、oer性能测试：在电化学工作站中，采用三电极系统，分别用上述磁性材料电极做阳极，铂片电极做阴极，氧化汞为参比电极，在1mol/l的氢氧化钾溶液中，进行水分解oer反应的电化学性能测试，得空白和充磁后的fe3o4纳米粒子磁性材料电极的lsv曲线对比图(见说明书附图4)。
[0042]
从图中我们可以明显看出：充磁后的fe3o4纳米粒子磁性材料电极做阳极的oer析出过电位要比未充磁的fe3o4纳米粒子磁性材料电极做阳极的低得多，(当oer反应产生氧气的电流密度为10ma/cm2时，充磁后的fe3o4纳米粒子磁性材料电极做阳极的析氧过电位为：
613mv，未充磁的fe3o4纳米粒子磁性材料电极做阳极的析氧过电位为：648mv)；而且，同样外加电位下，其oer析出电流要明显大很多，也就是：内部充磁大大提高了磁性材料催化fe3o4纳米粒子磁性材料电极电极对电催化水分解oer反应的催化效率。