一种咪唑类离子液体作为电解水制氢添加剂的应用

本发明涉及电解水，具体涉及一种咪唑类离子液体用于电解水制氢添加剂的应用。

背景技术：

1、随着化石燃料的使用，环境的污染愈发严重，因此，开发新能源代替传统能源亟待解决。其中，“绿氢”是通过可再生能源制取的氢气，在此期间实现二氧化碳的零排放。作为“绿氢”的制备方法之一，电解水的发展在全球能源转型中占有重要地位。然而，电解水设备需要的实际电压是远高于平衡电压的，较高的过电位带来了较低的电解水效率，这在碱性电解池中尤其明显。又因为酸性电解质中昂贵的催化剂和离子交换膜，使得人们将目光转向低成本的碱性燃料电解池，因此，降低碱性电解水的过电位，提高析氢反应效率显得十分重要。

2、为此，大量的研究者将目光转向开发低成本、高活性的催化剂中。但碱性催化剂的开发需要保持高活性和高稳定性，而相对比改变电解液中电解质成分来改变过电势则较为简单。例如，通过改变界面阳离子种类，在铂和金电极上锂离子和钾离子由于和水的共价能力不同，导致不同的析氢反应顺序(acscatalysis,2021,11(23):14328-14335)。在弱碱性的电解质中，增加阳离子的浓度可以改变界面水的结构构成，提高界面有序水的占比，促进界面电子的有序转移，提升了析氢效率(nature,2021,600(7887):81-85)。除此之外，添加适当的添加剂也可以提升析氢的效率。基于此，一些质子类有机试剂被用于酸性或碱性电解液中，例如添加三氟乙酸降低全ph析氢反应的过电势(专利cn115161665a)。除此之外有研究发现，在氢氧化钾溶液中添加少量的茶碱类有机小分子，可以改变界面水的结构组成，从而降低碱性析氢的塔菲尔斜率，促进析氢的反应动力(angew.chem.int.ed.2022,61,e202207197)。

3、然而，上述方法对析氢过电位的提升仍然有限，并且一些有机试剂的添加还会存在毒化催化剂的现象。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种咪唑类离子液体作为电解水制氢添加剂的应用，目的在于以咪唑类离子液体作为添加剂，提升电解水制氢的电流密度、降低析氢反应的过电位，提高her的效率。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了咪唑类离子液体作为电解水制氢添加剂的应用。

4、进一步地，所述咪唑类离子液体是作为电解水制氢用电解液的添加剂。基于此，本发明进一步提供了一种电解水制氢用电解液，其成分包括咪唑类离子液体和电解质溶液。

5、进一步地，电解质溶液的ph在7～14。

6、进一步地，所述的咪唑类离子液体为1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐和1-丁基-2,3-二甲基咪唑溴盐中的至少一种。

7、进一步地，所述电解质溶液为无机强碱电解质溶液或缓冲溶液。

8、更进一步地，所述的无机强碱电解质为氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。所述的缓冲溶液为碳酸钠-碳酸氢钠溶液或磷酸盐缓冲溶液。

9、进一步地，所述的咪唑类离子液体在电解液中的摩尔浓度为0.005～0.05mol/l。

10、进一步地，本发明提供了一种电解水制氢的方法，是使用三电极体系对所述的电解液进行电解，得到氢气。所采用的三电极体系为传统的三电极体系，如无特殊说明，采用hg/hgo电极为参比电极、碳棒作为对电极，工作电极采用泡沫镍电极或铂片电极。

11、本发明以咪唑类离子液体作为电解水制氢的添加剂，咪唑类离子液体的添加使得电解液中离子浓度提高，同时咪唑类阳离子在附加电压的作用下，改变电极界面的双电层，咪唑基与界面水可以产生氢键，进一步改变界面水的结构分配，促进界面水接触电极，从而提高析氢反应效率，提高析氢的电流密度，同时降低过电势。咪唑类离子液体作为电解水制氢的添加剂，在贵金属和非贵金属催化剂中均适用。

12、本发明的有益效果体现在：

13、1、本发明以咪唑类离子液体作为电解水制氢用电解液的添加剂，可以提升电解水制氢的电流密度、降低析氢反应的过电位，提高her的效率。

14、2、相比较增加电解质的浓度，本发明的方法只需要添加较少的离子液体就可以促进析氢反应过电势的降低，操作简单。

15、3、相比较其他有机试剂，咪唑类的离子液体对贵金属铂也适用，不会对贵金属一类的催化剂产生毒化作用，因此适用范围相对较广。

技术特征：

1.一种咪唑类离子液体作为电解水制氢添加剂的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述咪唑类离子液体是作为电解水制氢用电解液的添加剂，所述电解液成分包括咪唑类离子液体和电解质溶液。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述电解质溶液ph值为7～14。

4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于：所述的咪唑类离子液体为1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑四氟硼酸盐和1-丁基-2,3-二甲基咪唑溴盐中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述电解质溶液为无机强碱电解质溶液或缓冲溶液。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述的无机强碱电解质为氢氧化钾和氢氧化钠中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述的缓冲溶液为碳酸钠-碳酸氢钠溶液或磷酸盐缓冲溶液。

8.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述的咪唑类离子液体在电解液中的摩尔浓度为0.005～0.05mol/l。

9.一种如权利要求2～8中任意一项所述的电解水制氢用电解液。

10.一种电解水制氢的方法，其特征在于：使用三电极体系对权利要求2～9中任意一项所述的电解液进行电解，得到氢气。

技术总结
本发明公开了一种咪唑类离子液体作为电解水制氢添加剂的应用，是作为电解水制氢用电解液的添加剂，添加适量的离子液体可以提升电解水制氢的电流密度、降低析氢反应的过电位，提高HER的效率。咪唑类离子液体作为添加剂不仅在普通的泡沫镍电极上适用，在贵金属铂电极上也呈现出相似的结果。

技术研发人员：任晓迪,赵鑫
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12