CN106486680A - 一种磷化不锈钢电解水催化材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电催化材料制备技术领域，具体涉及一种电解水催化材料的制备方法及其在全分解水制氢产氧方面的应用。本发明以不锈钢为基底，以次磷酸盐为磷源在惰性氛围下一起煅烧制备的磷化不锈钢作为电解水催化剂。该磷化不锈钢电催化剂不仅大大降低了电解水所需的过电位，显著提高电解水的催化性能，而且原料廉价易得、操作简单，有利于大规模工业化生产。

Description

一种磷化不锈钢电解水催化材料的制备方法
技术领域
本发明属于电催化材料制备技术领域，具体涉及一种磷化不锈钢电解水催化材料的制备方法。
背景技术
随着现代社会的不断发展，化石燃料产生的污染也愈发地严重，这一问题引起了愈来愈多人的关注，人们开始着手于研究和解决这一影响人类生存的至关重要的问题，基于此趋势，寻找新的环境友好型且本身可再生的能源与燃料物质成为当务之急。氢气正是一种理想的新型能源，并且有望在将来成为最主要的能源物质。氢是宇宙中最丰富的元素，在地球上，海洋占据了72%的地表面积，因此地球上的氢元素几乎是无限的。如果将氢能作为能源来利用，水循环作为主要的支撑体系，氢能的利用可以避免大量使用化石燃料导致的大气二氧化碳浓度增加。目前制氢的主要方法：化石燃料制氢、甲醇分解制氢、氨分解制氢、甲烷的水蒸气重整反应制氢、生物制氢、电解水制取氢气等。然而作为一种二次能源，氢能需要某种加工才能得到，因此，想要彻底的脱离化石燃料，实现清洁的氢能源从而保护地球环境，应当利用大量的自然能源与可再生能源来制取氢气，与此同时不能产生新的污染物。基于这种情况，电催化分解水制氢是最有应用前景的技术。 近十几年的研究显示，在水分解制氢这一途径中仍然存在着几大问题，即如何提高效率，稳定性，降低过电势，减少成本等，使用催化剂是有望解决这些问题的最有效途径之一。然而，迄今为止，最有效的产氢或产氧催化剂仍然由贵金属组成，例如Pt(CN201510412672.8、ZL201310020844.8、US20150072852、JP2004008963) 和Ru（DE102011083528、WO2013045318）等贵金属用于产氢。但贵金属高额的成本严重阻碍了太阳能燃料的大规模生产。因此，为了降低成本，开发由含量丰富的元素组成的有效水分解催化剂变得越发迫切。非贵金属铁钴镍的氧化物和氢氧化物等也都表现了优良的电解水性能，如泡沫镍(ACS Catal. 2016, 6, 714−721)为基底的电解水催化剂，但是泡沫镍的机械强度小，制备工艺复杂，条件苛刻等。不锈钢已广泛用于工业电化学，其导电性好，机械强度好。为此，我们采用一步煅烧法将不锈钢磷化，然后直接用于电催化分解水，原料廉价易得、工艺及其简单，易于实现大规模生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种廉价便捷的电解水催化剂的制备方法。以价廉易得的不锈钢为基底，通过与次磷酸盐一步煅烧制备。所制备的材料具有很好的电催化分解水产氢、产氧及水的全分解性能。
本发明提供一种电催化分解水的电催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：以不锈钢为基底，与次磷酸盐经一步煅烧制得。本发明的制备方法简单、设备要求低、价格低廉、性能稳定、具备大批量制备的优点，并且所得材料的催化性能显著，有望产生很好的社会和经济效益；
所述方法的煅烧温度为300-600℃，保温1-5小时；
本发明所制备的材料具有价格低廉、催化性能好、易于工业化等特点。
附图说明
图1 为实施例1所制备磷化不锈钢泡沫电催化剂的XRD图；
图2 为实施例1所制备磷化不锈钢泡沫电催化剂的SEM图；
图3 和图4分别为实施例1所制备磷化不锈钢泡沫电催化剂电解水的HER和OER图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施示例进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明；
作为一种优选方案，以不锈钢泡沫为金属源；
作为一种优选方案，以次磷酸钠为磷源；
作为一种优选方案，步骤1所述方法的煅烧温度为500℃；
上述电催化剂材料的性能通过电催化分解水产氢和产氧来进行评估，实验过程如下：以上述磷化不锈钢泡沫为工作电极，铂电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极，采用三电极体系在1M KOH溶液中进行电化学分析测试；
上述电催化剂材料的结构表征方法为：X射线粉末衍射（XRD）分析结晶情况，扫描电镜（SEM）观察材料形貌,（XPS）分析材料的表面化学组成。
本发明的有益之处在于：本发明提供一种简单快捷的方法来制备水分解的电催化剂。采用廉价易得的不锈钢为起始原料。本发明得到分解水电催化剂材料具有价廉、高效、稳定、易于大规模生产等优点，大大降低电解水产氢、产氧的过电位。另外，本发明的制备方法十分简单、设备要求低，具备大批量制备的优点，并且所得材料的催化性能显著，有望产生很好的社会和经济效益；
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明在合适的范围内选择，而非仅限定于下文示例的具体数值。
实施例1
一种水分解电催化剂的制备方法如下：将1cm2的不锈钢泡沫片与2克次磷酸钠分别放在管式炉中，氩气保护下500℃煅烧2小时，得到磷化不锈钢泡沫电解水催化剂；
以得到的磷化不锈钢泡沫为工作电极，铂电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极，采用三电极体系在1M KOH溶液中进行电化学分析测试。结果表明该电催化材料具有很好的产氢和产氧性能，产氢和产氧达到10mA/cm2电流密度所需的过电位分别为206mv和298mv；
实施例2
方法同实施例1：将1cm2的不锈钢泡沫片与2克次磷酸钠分别放在管式炉中，氩气保护下600℃煅烧2小时，得到磷化不锈钢泡沫电解水催化剂；
结果表明产氢和产氧达到10mA/cm2电流密度所需的过电位分别为236mv和313mv；
实施例3
方法同实施例1：将1cm2的不锈钢泡沫片与2克次磷酸钠分别放在管式炉中，氩气保护下400℃煅烧2小时，得到磷化不锈钢泡沫电解水催化剂；
结果表明产氢和产氧达到10mA/cm2电流密度所需的过电位分别为242mv和323mv；
实施例4
为了考察煅烧温度对催化剂性能的影响，除温度外，其他反应条件如原料配比等均与实施例1相同。结果表明，提高温度对提高电解水产氢性能有影响，但温度有一个最佳值；
图1为所制备电解水催化材料的XRD图，从图中可以看出磷化后仍保持不锈钢的骨架结构；
图2为所制备电解水催化材料的SEM图，从图中可以看出催化材料呈鳞片状结构；
图3和图4分别为磷化不锈钢电解水的HER和OER图，由图可见磷化后电解水产氢和产氧性能都明显增强，产氢和产氧的过电位分别为206mv和298mv。

Claims (5)

1.一种磷化不锈钢电解水催化材料的制备方法，其特征在于：将不锈钢基底与次磷酸盐煅烧得到。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于煅烧温度为300-600℃，保温1-5小时。
3.根据权利要求1和2所述方法，其特征在于不锈钢基底包括泡沫不锈钢、不锈钢纤维带、不锈钢丝网等具有疏松结构的不锈钢。
4.根据权利要求1和2所述方法，其特征在于次磷酸盐包括次磷酸钠、次磷酸钾、次磷酸钙等次磷酸盐。
5.根据权利要求1至4所述方法制备的电催化剂材料，其特征在于该催化材料可用于电催化分解水产氢、产氧和水的全分解。
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