一种楔形螺旋曲面电极及其制备方法与流程

本发明涉及一种电极，特别涉及一种楔形螺旋曲面电极及其制备方法。

背景技术：

随着需求的越来越大，一种能够有效提高输出电流的方式显得格外重要，同时很多精密的仪器要求电池的输出更加稳定。而水电解中的析氢反应作为水电生产最有前景的方法之一，引起了众多科学家的关注。在析氢反应中，气泡粘附在电极表面会严重影响电极与电解质的直接接触，进而导致电极死区的产生和欧姆电阻的下降，电化学反应速率会显著降低，因此及时地除去电极上的气泡是提高电化学反应的效率的有效方法。

传统去除电极上气泡的方法有物理方法和化学方法两种，例如超声波处理和超重力处理，这两种方法需要添加辅助设备，但是仅能使气泡脱离电极表面，没有精确的运输过程；再比如在电极表面构建微/纳米结构的方法，气泡需要自行汇聚为大气泡才能脱离电极表面。这些方法都可以使形成的气泡获得脱离电极表面的能力，但都是将气泡直接释放到电解液中，这样会对电解过程产生不良影响，比如气泡的剧烈释放会扰乱电化学反应过程，同时直接释放到电解液中的气泡会增加相应气体在电解液中的浓度，导致实际操作中的安全问题。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，提供一种楔形螺旋曲面电极，这种电极能快速输运气泡、有效减少反应死区和提高电流稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种楔形螺旋曲面电极，电极本体为弯曲的矩形片，沿阿基米德螺旋线进行弯曲；电极由两片相互贴合的铜片和铝片组成，铜片贴合在内侧；在铜片的内表面分布有间隔排列的、依楔角布置的气泡运输区和亲水反应区，其中气泡运输区的宽度随电极的阿基米德螺旋线的极角减小而增大；气泡运输区表面喷涂有超疏水溶剂及湿滑剂。

上述的楔形螺旋曲面电极，最大的极角为π。

一种楔形螺旋曲面电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，铜片粗糙化处理：用200目的砂纸对铜片表面进行研磨，用蒸馏水和乙醇冲洗铜片，然后用氮气干燥；

步骤二，用带有楔形孔的掩模板覆盖于干燥后的铜片表面，对掩膜板的楔形孔喷洒超疏水溶剂，使铜片表面形成气泡运输区；

步骤三，分别将铜片、铝片放置在螺距为a、θ的值在0到π阿基米德螺旋曲面上，沿曲面对铜片进行弯曲，并退火处理，再将铜片和铝片贴合形成电极；

步骤四，在铜片的外表面滴加适量的湿滑剂进行浸润，再将未浸润的湿滑剂吹走。

上述的一种楔形螺旋曲面电极的制备方法，在步骤二中，采用glcao液体作为超疏水溶剂。

向掩膜板的楔形孔喷洒超疏水溶剂，将电极铜片的内表面划分为间隔的亲水反应区和气泡运输区，喷洒了超疏水溶剂的楔形孔对应气泡运输区，掩膜板被遮盖的未喷洒超疏水溶剂的为亲水反应区，两个区有着不同的亲水性，气泡运输区由于喷洒了超疏水溶剂其亲水性比亲水反应区的亲水性要小。

两个区的亲水性的不同，造成了与电解液的反应速率不一样，亲水反应区的反应速率更快，同时气泡运输区上不停地运输气泡，会抑制气泡运输区的反应，所以从宏观上来看气泡运输区只运输气泡，亲水反应区负责与电解液的反应。

本发明中，亲水反应区使用惰性电极。

气泡运输区分为起始运输区、中部运输区和终部运输区：起始运输区为气泡运输区中与亲水反应区的相邻区域，起始运输区负责将亲水反应区的气泡转移到气泡运输区；终部运输区为极角θ等于零的区域，气泡在终部运输区脱离电极。

由于亲水反应区和气泡运输区亲水性的不同，亲水反应区产生的气泡被气泡运输区的起始运输区粘附，并逐步聚合为更大的气泡，依靠楔形曲面产生的拉普拉斯力、阿基米德曲线产生的曲率驱动力，将气泡沿曲面向终部运输区输运从而脱离电极，最终气泡通过浮力跑离电解质液。可以视情况调整终部运输区宽度，以对反应气体的释放或收集。

在步骤四中，可以采用hfe7100作为湿滑剂，湿滑剂能有效降低气泡的运输阻力。hfe7100中文名称是甲基九氟丁醚，具有极好的惰性、高密度、低粘度、低表面张力、低介电常数等优良性能。hfe7100的低表面张力有利于气泡的输运。由于铜片表面粗糙化后形成的微结构、和气泡运输区的超疏水性以及湿滑剂的低表面张力，使湿滑剂迅速铺满气泡运输区的基底，并进驻铜片的微结构。而铜片亲水反应区的铜基表面由于不具有超疏水性，短时间内不会被浸润，可以用电吹风将亲水反应区多余的湿滑剂吹走。

本发明的有益效果是：

1）本发明能使微小气泡在电极表面实现快速脱离，减少因气泡粘附而产生的反应死区，避免了因气泡变大后而产生的死区面积波动、电解质扰动；提高了电化学反应速率、增大原电池电流及提高电流稳定性。

2）本发明电极结构简单、制备方便。减少因常规气泡释放策略所需辅助设备的使用。

3）通过改变楔形螺旋曲面的结构参数，比如螺旋距离参数a、楔角参数α等，可以调控气泡输运速度以适应气泡释放速率的需要，提高反应速率。

4）避免了危险性气体在反应液的直接溶解，有利于气体的收集，提高了实际操作的安全性。避免了危险性气体在反应液的直接溶解，有利于下一步气体的收集，提高了实际操作的安全性。

5）将楔形结构与螺旋曲面结构相结合，实现了反应区气泡的快速脱离，解决了电极反应区死区产生、死区面积剧烈波动、电解质溶液扰动等问题，提高了电化学反应速度及电流的大小和稳定性，同时避免了气体在电解质溶液中的溶解，并有利于危险性气体的收集，提高了反应的安全性。

附图说明

图1为本发明电极的结构示意图。

图2为本发明电极在电化学反应中的气体输运示意图。

图3为结构参数为楔角为8°、a=1/π电极析氢反应的电流密度-时间曲线。

图4为不同参数下电极的反应速率的对比图。

图5为不同螺距下对反应速率的影响对比图。

图6为不同楔角下析氢反应速率的对比图。

图中标记为：1电极，2气泡运输区，3亲水反应区，4气泡，5电解液，6烧杯。

具体实施方式

参照附图，一种楔形螺旋曲面电极，电极本体为弯曲的矩形片，沿阿基米德螺旋线进行弯曲；电极由两片相互贴合的铜片和铝片组成，铜片贴合在内侧；在铜片的内表面分布有间隔排列的、依楔角布置的气泡运输区和亲水反应区，其中气泡运输区的宽度随电极的阿基米德螺旋线的极角减小而增大；气泡运输区表面喷涂有超疏水溶剂及湿滑剂。阿基米德螺旋曲线最大的极角为π。

一种楔形螺旋曲面电极的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，铜片粗糙化处理：用200目的砂纸对铜片表面进行研磨，用蒸馏水和乙醇冲洗铜片，然后用氮气干燥；

步骤二，用带有楔形孔的掩模板覆盖于干燥后的铜片表面，对掩膜板喷洒超疏水溶剂glcao液体，使铜片表面形成气泡运输区；

步骤三，分别将铜片、铝片放置在螺距为a、θ的值在0到π阿基米德螺旋曲面上，沿曲面对铜片进行弯曲，并退火处理，再将铜片和铝片贴合形成电极；

步骤四，在铜片的外表面滴加适量的湿滑剂hfe7100，将未浸润的湿滑剂吹走。

图3中我们可以看出，楔形曲面结构确实提高了析氢反应的反应速率和电流稳定性，电流约提高14%。通过了反应速率的增加，增大了析氢反应的输出电流，而且提高了电流的稳定性。

图4中，单一平面（α=0°、a=∞）、楔形平面（α=8°、a=∞）、螺旋曲面（α=0°、a=1/π）以及楔形螺旋曲面（α=8°、a=1/π）的反应速率的对比图。前期阶段（0~16h），楔形螺旋曲面新型电极、曲面电极、楔形电极、平面电极的反应速率依次降低，其中楔形螺旋曲面新型电极相对于平面电极，反应速率约提高12%~15%。反应后期（16h~24h），由于反应物物质量浓度降低量不统一（前期反应速率越快，物质量浓度越低），故浓度的影响逐渐逐渐占据主要地位，结构对反应速率的影响逐渐降低，出现了平面电极、楔形电极、曲面电极、楔形螺旋曲面新型电极反应速率依次降低的实验现象。综上，对于反映物质量浓度恒定的电化学反应，楔形螺旋曲面新型电极有助于反应速率的提高。

图5研究的是以析氢反应为例，螺旋距离参数a对反应速率的影响，其中楔角参数全部取α=8°。由反应前期可知，螺旋距离参数a越小，螺旋梯度越大，析氢反应氢离子的反应速率越大，故在气泡输运对反应速率起作用的的范围内，螺旋参数a参数越小，氢离子的反应速率越高。

图6为为研究的是参数楔角α对析氢反应速率的影响，由反应可知，析氢反应中，气泡的直径比较小（大部分在1mm之内），故楔角不能太大（导致作用距离的缩短）。当螺旋参数a全部取a=1/π，在楔角等于或小于8°的范围内，随着楔角α增大，氢离子的反应速率逐步增大。

气泡最初在无湿滑剂的亲水反应区的铜表面上成核并生长。生长或聚结的氢气泡一旦与气泡运输区的边缘接触，产生较高的气泡附着力，气泡立即被湿滑剂捕获进入气泡运输区。在拉普拉斯力和曲率驱动力的作用下，这些捕获的气泡在气泡运输区上输运，输运过程中它们会再次聚结，最终将气泡脱离气泡运输区而输运出水面。

及时将气泡输运出反应区域，减少了气泡的附着，保持了有效反应面积的相对恒定，从而提高了电化学反应的速率。相反，气泡在非图案化铜电极上成核并连续生长，只有当气泡足够大时，它们才会从电极上脱落，因此，有效电极面积被削减，导致反应速率降低。楔形螺旋曲面的结构化、湿滑区图案化简化了反应中的气体处理过程，其中产生的气泡可以及时去除以增加电极/电解质接触区域；将气泡及时的输送出水面，减少氢在电解质中的溶解，降低了其它副反应的产生。