CN114717570B - 一种弱束缚水结构改性碱性电解液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法，包括以下步骤：用水和碱性电解质配制碱性电解液；在步骤S1中配置的碱性电解液中加入表面荷负电的添加剂；将步骤S2得到的溶液超声处理，然后搅拌，使表面荷负电的添加剂充分分散在电解液中，获得改性电解液。与传统电解液相比，本发明的表面荷负电添加剂改性电解液可以提升电催化水分解析氧反应的稳定性，显著降低电极过电势，相较于对电极或催化剂的改性，本发明利用表面荷负电添加剂改性电解液可以近一步提升电催化水分解效率。另外，本发明的制备工艺简单，成本低，适合批量应用，在电催化以及光电催化领域均具有广泛的应用前景。

Description

一种弱束缚水结构改性碱性电解液及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学水分解制氢技术领域，具体是一种弱束缚水结构改性碱性电解液及其制备方法。
背景技术
应对日益严重的能源短缺与环境危机，开发可再生的清洁能源成为一项备受关注的课题。电化学水分解技术可将太阳能转化所得的电能，通过水分解反应转化为高能量密度的氢能。电化学水分解反应由阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)以及溶液中的传质三个串联过程组成。相较于涉及两电子参与的HER，OER涉及四电子过程，反应动力学缓慢，成为限制水分解电池能量转换效率的主要瓶颈。因此，提升OER效率对实现高效光电化学水分解意义重大。
据现有研究表明，“电催化剂/电解液”固液界面缓慢的析氧反应(OER)是电解水反应的速控步骤。所以，提高析氧反应(OER)的效率便成为了研究的首要任务。目前提升OER效率的优化策略主要可分为两个方向：电催化剂和电解液的优化改性。其中，OER电催化剂的研究工作较为广泛，例如：CN109647477B、CN111841602B、CN111437831B。但对于OER这一串联反应过程，相较于快速发展的电催化剂，研究较少、性能落后的电解液将成为限制OER效率的短板与瓶颈。
目前，关于电解液的研究较少，中国专利申请CN111101143A公开了一种利用全氟类有机添加剂，通过降低气泡对电极有效工作面积的影响，降低电极过电势，这种方法的缺点是只能解决气泡对有效工作面积的影响，无法促进OER的反应动力学过程，令电极效率提升和寿命延长受限；中国专利申请CN113078331A公开了一种针对镁水制氢电池的高性能电解液，利用阳离子或阴离子添加剂有效剥离反应产物Mg(OH)2，保证制氢反应的持续进行，这种方法的缺点是适用范围窄，只能用于提升镁水制氢电池的效率与寿命。
碱性电解液中的OER，反应物是OH-，由于水化作用，其周围会形成水化壳，阻碍OH-到电极表面的传输和吸附。因此，期望找到一种减薄OH-水化壳层以有效提升OER效率和稳定性的方法。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供一种弱束缚水结构改性碱性电解液及其制备方法。
技术方案：本发明的一种弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法，包括以下步骤：
S1：用水和碱性电解质配制碱性电解液；
S2：在步骤S1中配置的碱性电解液中加入表面荷负电的添加剂；
S3：将步骤S2得到的溶液超声处理，然后搅拌，使表面荷负电的添加剂充分分散在电解液中，获得改性电解液。
优选地，步骤S1中，碱性电解质为碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物，碱性电解液的浓度为1×10-5-10mol/L。
优选地，步骤S2中，表面荷负电的添加剂粒径为0.1-100微米，加入量为碱性电解液质量的0.1％-5％。
优选地，步骤S3中，超声处理时间为1-20min。
优选地，步骤S3中，搅拌转速为100-1000r/min。
优选地，步骤S2中，荷负电的添加剂选自高岭石、伊利石或Mxene中的一种。
本发明还提供一种弱束缚水结构改性碱性电解液，由本发明的弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法制备而成。
有益效果：与传统电解液相比，本发明的表面荷负电添加剂改性电解液可以提升电催化水分解析氧反应的稳定性，显著降低电极过电势，相较于对电极或催化剂的改性，本发明利用表面荷负电添加剂改性电解液可以近一步提升电催化水分解效率。另外，本发明的制备工艺简单，成本低，适合批量应用，在电催化以及光电催化领域均具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明中高岭土修饰电解液电催化测试装置示意图；
图2是本发明中所应用到的部分荷负电的微粒的SEM图。
图中，1-电解液，2-表面荷负电的微粒，3-阳极，4-阴极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法，包括以下步骤：
S1：用水和碱性电解质配制碱性电解液；具体地，称取一定量的碱金属或碱土金属氢氧化物，置于水溶液中，搅拌直至完全溶解；电解液的浓度为1×10-5-10mol/L；优选浓度为0.05-4mol/L。
S2：在步骤S1中配置的碱性电解液中加入表面荷负电的添加剂；添加剂为高岭石、Mxene中的一种；表面荷负电的添加剂粒径为0.1-100微米，优选为0.5-10微米，表面荷负电的添加剂加入量为电解液质量的0.1％-5％，优选0.2％-3％。
S3：将步骤S2得到的溶液超声处理，然后搅拌，使表面荷负电的添加剂充分分散在电解液中，获得改性电解液。超声处理时间为1-20min，优选5-10min。搅拌处理持续进行，搅拌转速100-1000r/min，优选200-300r/min。
图2中，a为Mxene微粒的SEM图，b为高岭土微粒的SEM图。
实施例1
选用氢氧化钾水溶液作为原始电解液，具体实施过程如下：
配置碱性电解液：称取5.6g氢氧化钾，置于100mL水溶液中，搅拌直至完全溶解，配置成1mol/L的电解液；
加入高岭土：称取0.2g的高岭土(粒径0.5微米)加入100mL的1mol/L碱性电解液中，即添加剂的添加量为0.2％，超声5min，再持续搅拌，转速为200r/min。
实施例2
选用氢氧化钾水溶液作为原始电解液，具体实施过程如下：
配置碱性电解液：称取0.28g氢氧化钾，置于100mL水溶液中，搅拌直至完全溶解，配置成0.05mol/L的电解液；
加入高岭土：称取3.0g的高岭土(粒径9.5微米)加入100mL的0.05mol/L碱性电解液中，即添加剂的添加量为3％，超声10min，再持续搅拌，转速为200r/min。
实施例3
选用氢氧化钠水溶液作为原始电解液，具体实施过程如下：
配置碱性电解液：称取4.0g氢氧化钠，置于100mL水溶液中，搅拌直至完全溶解，配置成1mol/L的电解液；
加入高岭土：称取3.0g的高岭土(粒径1.5微米)加入100mL的1mol/L碱性电解液中，即添加剂的添加量为3％，超声5min，再持续搅拌，转速为300r/min。
实施例4
选用氢氧化钾水溶液作为原始电解液，具体实施过程如下：
配置碱性电解液：称取11.2g氢氧化钾，置于100mL水溶液中，搅拌直至完全溶解，配置成1mol/L的电解液；
加入Mxene：称取1.0g的Mxene(粒径1.04微米)加入100mL的1mol/L碱性电解液中，即添加剂的添加量为1％，超声8min，再持续搅拌，转速为200r/min。
实施例5
选用氢氧化钾水溶液作为原始电解液，具体实施过程如下：
配置碱性电解液：称取22.4g氢氧化钾，置于100mL水溶液中，搅拌直至完全溶解，配置成4mol/L的电解液；
加入高岭土：称取3.0g的高岭土(粒径9.5微米)加入100mL的4mol/L碱性电解液中，即添加剂的添加量为3％，超声10min，再持续搅拌，转速为250r/min。
实施例1-5得到的性能检测如下表所示：
从上表可知，实施例1-5中不同浓度不同阳离子的碱性电解液在经过不同加入量的荷负电的添加剂改性后，其电催化水分解性能均得到显著提升。

Claims (4)

1.一种弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：用水和碱性电解质配制碱性电解液；
S2：在步骤S1中配置的碱性电解液中加入表面荷负电的添加剂；
S3：将步骤S2得到的溶液超声处理，然后搅拌，使表面荷负电的添加剂充分分散在电解液中，获得改性电解液；
步骤S1中，碱性电解质为碱金属氢氧化物或碱土金属氢氧化物，碱性电解液的浓度为0.05-10 mol/L；
步骤S2中，表面荷负电的添加剂粒径为0.1-10 微米，加入量为碱性电解液质量的0.1%-5%；
步骤S2中，表面荷负电的添加剂选自高岭石或Mxene。
2.根据权利要求1所述的一种弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法，其特征在于：步骤S3中，超声处理时间为1-20min。
3.根据权利要求1所述的一种弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法，其特征在于：步骤S3中，搅拌转速为100-1000r/min。
4.一种弱束缚水结构改性碱性电解液，其特征在于，由权利要求1-3任一项所述的弱束缚水结构改性碱性电解液的制备方法制备而成。
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