一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极及其制备方法与应用

本发明涉及电极，具体涉及一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氢能被认为是最有发展潜力的二次能源，具有储量丰富、能量密度高、方便存储等优点。与化石燃料制氢不同，电解水制氢技术具有绿色环保、制备氢气纯度高等优势是获取氢能的有效方式之一。电解水制氢过程涉及阴极析氢反应(her)与阳极析氧反应(oer)，为了提高电解水效率，通常制备了在较小过电位下达到较高电流密度的低成本电极。但是，电解水过程产生的气泡会原位粘附于电极表面，使电极与电解液有效接触面积减少，导致电解水反应活性面积减少，极大限制了其应用。因此，如何快速驱离电解水过程中电极表面产生的气泡，释放有效活性面积，成为近年来研究的热点。

2、目前，现有技术通常制备具有特殊纳米阵列的超亲水/水下超疏气电极来能防止气泡粘附在电极表面，尽管这些电极可以一定程度上减少气泡对电极表面的粘附，但气泡不能及时从电极/电解质界面快速去除，导致电极/电解质界面处的气体累积，降低电解水效率。

3、同时，现有技术经常利用微结构表面引起的对气泡的不对称拉普拉斯压力差可以用来操纵气泡运输，然而，微结构对输送气泡的有效长度是非常有限的，超过其范围的气泡不能产生足够的形状变形，从而不能产生拉普拉斯压力差来触发运动。

4、因此，提供一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极及其制备方法是本领域技术人员需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提出一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极及其制备方法与应用。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，所述电极为水下超疏气电极，且表面设有平行排列的凹槽，该结构有利于气泡脱离电极表面；

4、其中，所述凹槽的宽度为1μm-1mm，间距为1μm-1mm，深度为1μm-1mm。

5、优选的，所述水下超疏气电极通过电沉积方法制备。

6、本发明采用的电沉积法具有操作便捷、反应条件易于控制、对超疏气电极表面纳米结构组分、形貌可控等优点；通过将各向异性微结构电极充当工作电极，运用恒电位法制备水下超疏气电极，使制备的电催化剂沉积在电极基底上；这种方法制备的电沉积产物和电极基底紧密贴合，减少粘结剂使用，避免粘结剂对电沉积产物导电性的影响，使得电极的导电性能提升。

7、优选的，所述电沉积方法中采用的沉积液为硫脲、次亚磷酸钠、硝酸铁和硝酸镍的混合液。

8、本发明采用的过渡金属硫化物和过渡金属磷化物具有优异的导电性和电催化电解水性能，选用硫脲、次亚磷酸钠、硝酸铁和硝酸镍分别作为硫、磷、铁、镍源，制备含有ni、fe、p、s元素的电沉积产物。

9、优选的，所述硫脲的浓度为0.01-1mol/l，所述次亚磷酸钠的浓度为0.01-1mol/l，所述硝酸铁的浓度为0.01-1mol/l，所述硝酸镍的浓度为0.01-1mol/l。

10、优选的，所述硫脲的浓度为0.5mol/l，所述次亚磷酸钠的浓度为0.5mol/l，所述硝酸铁的浓度为0.2mol/l，所述硝酸镍的浓度为0.5mol/l。

11、优选的，所述电沉积方法中沉积电压为-2v-2v，沉积时间1-2000s。

12、优选的，所述电沉积方法中沉积电压为-1v，沉积时间700s；在此电沉积条件下可以制备得到纳米结构电沉积产物。

13、优选的，所述凹槽微结构采用激光蚀刻。

14、本发明通过构建电极微结构凹槽表面有助于引导电解水气泡产物脱离电极表面，相较于其他方法，激光刻蚀方法制备的微结构凹槽表面具有操作便捷、加工参数易于调控、可重复性高等优点。

15、优选的，所述电极为导电电极。

16、优选的，所述电极为镍电极、铂电极和石墨电极等中的任意一种；镍电极可以有效地提高催化剂电解水性能，与贵金属电极相比，金属镍具有廉价、储量丰富等优势。

17、根据上述所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极的制备方法，包括以下具体步骤：

18、(1)使用激光打标机刻蚀电极表面1-200次，得到具有各向异性凹槽微结构导电基底；

19、(2)制备硫脲、次亚磷酸钠、硝酸铁和硝酸镍的沉积液，将步骤(1)制备的所述导电基底放入所述沉积液进行电沉积，得到水下超疏气各向异性凹槽微结构导电电极。

20、优选的，步骤(1)中所述激光打标机的激光在电流10a、频率30khz、速度1200mm/s的条件下进行刻蚀。

21、如上述所述具有气泡导流功能的各向异性微结构电极在电解水产氢、光解水制氢和微气泡减阻中的应用。

22、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、本发明通过制备结构可控的各向异性凹槽微结构电极，同时实现各向异性凹槽微结构电极水下超疏气特性，实现了超浸润电极通过表面各向异性微结构与浮力的协同作用，使电极表面气泡具有低粘附和导流效果，使得电极具有导流气泡功能，使气泡可以向平行凹槽的方向运输，从而获得更好的电解水性能。

技术特征：

1.一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述电极为水下超疏气电极，且表面设有平行排列的凹槽微结构；

2.根据权利要求1所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述水下超疏气电极通过电沉积方法制备。

3.根据权利要求2所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述电沉积方法中采用的沉积液为硫脲、次亚磷酸钠、硝酸铁和硝酸镍的混合液。

4.根据权利要求3所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述硫脲的浓度为0.01-1mol/l，所述次亚磷酸钠的浓度为0.01-1mol/l，所述硝酸铁的浓度为0.01-1mol/l，所述硝酸镍的浓度为0.01-1mol/l。

5.根据权利要求2所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述电沉积方法中沉积电压为-2v-2v，沉积时间1-2000s。

6.根据权利要求1所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述凹槽微结构采用激光蚀刻。

7.根据权利要求1所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，其特征在于，所述电极为导电电极。

8.根据权利要求1-7任一项所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

9.根据权利要求8所述一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述激光打标机的激光在电流10a、频率30khz、速度1200mm/s的条件下进行刻蚀。

10.如权利要求1-7任一项所述具有气泡导流功能的各向异性微结构电极在电解水产氢、光解水制氢和微气泡减阻中的应用。

技术总结
本发明公开了一种具有气泡导流功能的各向异性微结构电极，所述电极为水下超疏气电极，且表面设有平行排列的凹槽；其中，所述凹槽的宽度为1μm‑1mm，间距为1μm‑1mm，深度为1μm‑1mm。本发明通过制备结构可控的各向异性凹槽微结构电极，同时实现各向异性凹槽微结构电极水下超疏气特性，实现了超浸润电极通过表面各向异性微结构与浮力的协同作用，使电极表面气泡具有低粘附和导流效果，使得电极具有导流气泡功能，使气泡可以向平行凹槽的方向运输，从而获得更好的电解水性。

技术研发人员：田东亮,李玉梁,张秋雅,高锦鑫,苏家炜,王怡博,张孝芳,江雷
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15