一种使用磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解的方法与流程

本发明涉水电解技术领域，尤其涉及一种使用磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解的方法。

背景技术：

能源被称为人类现代社会发展的三大支柱之一，目前世界上使用的能源主要是煤炭、石油、天然气等化石能源。然而化石能源的储量有限且不可再生，且化石能源的过渡使用使得能源危机日益加剧，此外化石能源在使用过程中还会排放有害气体，易造成环境污染。随着能源消耗过度与环境污染日益严重等问题越来越突出，开发可再生、清洁、安全、高效的新能源成为了研究热点。氢能是一种零污染、高效的可再生清洁能源,来源广泛、制备方法多样,并且可以实现永续可再生循环,因此成为新一代能源发展战略主体。近年来，随着氢能利用技术的日益成熟，氢能逐渐在世界范围内得到重视。

氢气目前的制备方法主要有天然气重整、石油裂解、煤气化和水电解。其中,电解水制氢技术具有零排放、制氢纯度高、可利用费电废热等资源并可耦合太阳能、风能、核能等可再生能源等优点,必将在发展氢能的过程中发挥主要作用,也必将对人类的生存环境及生活方式产生积极重大的影响。电解水制氢技术中主要包括电催化析氢反应（her）和析氧反应（oer）,其中oer中涉及到多电子的转移和中间物质的吸附、脱附多过程,是一个动力学缓慢过程，相对her，oer所需过电势高很多，因此成为制约电解水制氢转换效率的瓶颈。由于高效oer催化剂的引入,可以明显降低反应势能,提高催化反应效率，因此开发高效的oer催化剂成为当前的研究重点。目前，发现的对oer具有最佳催化作用的是贵金属iro2和ruo2，但由于贵金属存在价格高、储量少、稳定性差等问题，严重影响了电解水制氢技术大规模商业化应用。所以,合成低成本、高效及稳定的析氧催化剂材料迫在眉睫。过渡金属层状氢氧化物被公认为是一类具有高催化效率、易制备、原料来源广泛的析氧反应催化剂，但其本身对于析氧反应中间体较弱的吸附仍桎梏其催化性能的进一步提高。

技术实现要素：

根据以上技术问题，本发明提供一种使用磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解的方法，其特征在于：包括：

（a）将过渡金属层状氢氧化物放入强还原剂溶液中，搅拌后，离心分离烘干后获得缺陷层状双金属氢氧化物催化剂；

（b）将缺陷层状双金属氢氧化物催化剂与导线连接，分别作为电解水的阴极和阳极放入水浴中；

（c）接通电解槽电源后，施加磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解。

优选的：所述步骤（a）中的所述过渡金属层状氢氧化物为ni-co、fe-co或ni-fe层状氢氧化物。

优选的：所述步骤（a）中的所述过渡金属层状氢氧化物负载在镍网或石墨烯上。

优选的：所述步骤（a）中的所述强还原剂溶液是硼氢化钠或肼，且其浓度为0.1～12m。

优选的：所述的步骤（a）中所述搅拌时间为1～24小时。

优选的：所述步骤（b）中的所述缺陷层状双金属氢氧化物催化剂作为阴极和阳极的面积为1～50cm²。

优选的：所述步骤（b）中的所述水浴的体积为5～50cm³。

优选的：所述步骤（c）中所述磁场强度为1～5特斯拉，且所述磁场方向为垂直或平行于水浴槽。

优选的：所述的步骤（c）中所述电解时间为1～15小时。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

本发明提供的方法中，通过施加磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解过程。本发明利用磁场对表面缺陷处的未配对电子的自旋行为影响，加速了催化反应过程中的电子传递，从而提高了水电解的效率。此种方法制备的催化剂对析氢反应和析氧反应同时具有良好催化效果。与现有技术相比，通过磁场辅助过渡金属层状氢氧化物催化剂，实现了水电解的高效反应，这为将来工业化电解水的发展提供了新的思路。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：缺陷ni-fe层状氢氧化物催化剂的表面形貌；

图2：施加磁场前后，ni-fe层状氢氧化物催化剂对（a）析氧反应（oer）和（b）析氢反应（her）的催化性能测试；

图3：缺陷ni-co层状氢氧化物催化剂电极的照片；

图4：施加磁场前后，ni-co层状氢氧化物催化剂对（a）析氧反应（oer）和（b）析氢反应（her）的催化性能测试。

具体实施方式

实施例1

参见图1、2、3、4所示，将负载在镍网上的ni-fe层状氢氧化物放入5m强还原剂硼氢化钠溶液中，搅拌1小时后，离心分离烘干后获得缺陷ni-fe层状氢氧化物催化剂。图1是缺陷ni-fe层状氢氧化物催化剂的表面形貌。将该催化剂各取5cm²作为电解水的阴极和阳极与导线连接放入10cm³水浴中。接通电解槽电源后，施加1特斯拉平行磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解反应1小时。图2是施加磁场前后，ni-fe层状氢氧化物催化剂对（a）析氧反应（oer）和（b）析氢反应（her）的催化性能测试。由图可知：在oer测试中，施加磁场后，催化剂的起始点位较无磁场条件下催化剂的变小；在her测试中，施加磁场后，催化剂的电流密度和起始电位更高，说明采用该方法，电解水的效率获得大幅度提高。

实施例2

将负载在镍网上的ni-co层状氢氧化物放入10m强还原剂肼溶液中，搅拌5小时后，离心分离烘干后获得缺陷ni-co层状氢氧化物催化剂。将该催化剂各取2cm²作为电解水的阴极和阳极与导线连接放入5cm³水浴中。图3是缺陷ni-co层状氢氧化物催化剂电极的表面形貌。接通电解槽电源后，施加2.5特斯拉垂直磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解反应5小时。图4是施加磁场前后，ni-co层状氢氧化物催化剂对（a）析氧反应（oer）和（b）析氢反应（her）的催化性能测试。由图可知：在oer测试中，施加磁场后，催化剂的起始点位较无磁场条件下催化剂的变小；在her测试中，施加磁场后，催化剂的电流密度和起始电位更高，说明采用该方法，电解水的效率获得大幅度提高。

实施例3

将负载在石墨烯上的fe-co层状氢氧化物放入0.1m强还原剂肼溶液中，搅拌20小时后，离心分离烘干后获得缺陷fe-co层状氢氧化物催化剂。将该催化剂各取30cm²作为电解水的阴极和阳极与导线连接放入25cm³水浴中。接通电解槽电源后，施加5特斯拉平行磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解反应10小时。

实施例4

将负载在石墨烯上的ni-fe层状氢氧化物放入1m强还原剂肼溶液中，搅拌10小时后，离心分离烘干后获得缺陷ni-fe层状氢氧化物催化剂。将该催化剂各取10cm²作为电解水的阴极和阳极与导线连接放入40cm³水浴中。接通电解槽电源后，施加5特斯拉垂直磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解反应15小时。

实施例5

将负载在镍网上的ni-co层状氢氧化物放入12m强还原剂硼氢化钠溶液中，搅拌24小时后，离心分离烘干后获得缺陷ni-co层状氢氧化物催化剂。将该催化剂各取50cm²作为电解水的阴极和阳极与导线连接放入50cm³水浴中。接通电解槽电源后，施加3.5特斯拉平行磁场辅助缺陷过渡金属层状氢氧化物催化水电解反应2小时。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。