一种多孔水凝胶修饰的析气电极、制备方法及其应用

本发明属于电解电极制备技术和电化学能源，具体涉及一种多孔水凝胶修饰的析气电极、制备方法及其应用。

背景技术：

1、电化学工业中涉及很多气体析出反应，比如电解水过程中的析氢、析氧反应，氯碱工业中的氯气析出反应，金属空气电池和可再生燃料电池中的析氧反应等，上述反应中气体的析出过程会对电极反应造成不利影响。

2、析气反应过程中生成的气泡附着在电极表面，形成“气泡效应”，对电极过程造成以下影响：(1)不导电的气泡阻断部分活性位点与反应物质的接触，降低催化活性；(2)气泡的附着增强电极表面欧姆极化，使槽电压增加，反应过程的能耗也相应增加；(3)由于气泡与电极表面的粘附作用，在脱离过程中导致部分活性物质的脱落等。

3、根据目前文献报道，大多数研究是通过构建三维纳米阵列电极来降低“气泡效应”的影响，比如基于过渡金属氧化物、氢氧化物、磷化物、硫化物等材料的纳米线、纳米片阵列结构，利用阵列化电极的超疏气性能降低气泡附着力，促进气体的释放和电极反应的快速进行。但是纳米阵列电极通常制备过程复杂，涉及高温高压条件，结构稳定性差，难以实现工业化，而且该方法只针对具体材料，不具有推广价值。

4、本发明通过在催化剂表面负载多孔水凝胶薄膜减少析气反应过程产生的气泡聚集，使生成的气泡能够快速离开电极表面，同时也可以防止催化剂从导电基体表面脱落，增强析气电极的催化活性和稳定性。

技术实现思路

1、本发明提供一种多孔水凝胶修饰的析气电极、制备方法及其应用，利用多孔水凝胶的超亲水超疏气性能，减少析气反应过程产生的气泡聚集，使生成的气泡能够快速离开电极表面，同时也可以防止催化剂从导电基体表面脱落，增强析气电极的催化活性和稳定性。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种多孔水凝胶修饰的析气电极，由基体电极和多孔水凝胶薄膜组成，所述的基体电极包括导电基体和催化剂层，所述的催化剂层负载在导电基体表面，所述的多孔水凝胶薄膜负载在催化剂层表面。

4、进一步，所述多孔水凝胶薄膜的厚度为0.5～2μm。

5、进一步，所述的催化剂层为电化学析氧反应的催化剂、电催化析氢反应的催化剂、电催化析氯反应的催化剂或电催化尿素氧化反应的催化剂。

6、进一步，所述的催化剂层为贵金属、贵金属氧化物、过渡金属氧化物和过渡金属磷化物中的一种或多种。

7、本发明的水凝胶修饰的析气电极的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)将基体电极在含有硅烷偶联剂的稀溶液中浸泡1～10min，清洗干燥后备用；

9、(2)以非离子型亲水性单体、交联剂、引发剂为原料，通过化学交联作用制备预凝胶溶液；

10、(3)将制备的预凝胶溶液负载到基体电极表面，形成固体凝胶后冷冻干燥，得到多孔水凝胶修饰的析气电极。

11、进一步，所述硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂，其浓度为0.1％～1％，溶剂为乙醇或乙醇和水的混合溶液。

12、进一步，所述非离子型亲水性单体为丙烯酰胺及其衍生物中的一种或多种。

13、进一步，步骤(3)中将制备的预凝胶溶液负载到基体电极表面的方法包括表面涂覆、在预凝胶液中浸渍或电化学沉积。

14、本发明的多孔水凝胶修饰的析气电极应用在电解水制氢、二次金属空气电池和可再生燃料电池领域。

15、本发明的有益效果：

16、本发明利用多孔水凝胶的超亲水超疏气性能，减少析气反应过程产生的气泡聚集，使生成的气泡能够快速离开电极表面，同时也可以防止催化剂从导电基体表面脱落，增强析气电极的催化活性和稳定性。本发明适用于涉及气体析出反应的电极，比如电催化析氢、析氧和析氯反应等，在电解水制氢、二次金属空气电池、可再生燃料电池等领域具有良好的应用前景。

17、本发明所述方法简单可控，原料价廉易得，效果显著，易于实现工业化。

技术特征：

1.一种多孔水凝胶修饰的析气电极，其特征在于：由基体电极和多孔水凝胶薄膜组成，所述的基体电极包括导电基体和催化剂层，所述的催化剂层负载在导电基体表面，所述的多孔水凝胶薄膜负载在催化剂层表面。

2.根据权利要求1所述的一种多孔水凝胶修饰的析气电极，其特征在于：所述多孔水凝胶薄膜的厚度为0.5～2μm。

3.根据权利要求1所述的一种多孔水凝胶修饰的析气电极，其特征在于：所述的催化剂层为电化学析氧反应的催化剂、电催化析氢反应的催化剂、电催化析氯反应的催化剂或电催化尿素氧化的催化剂等。

4.根据权利要求3所述的一种多孔水凝胶修饰的析气电极，其特征在于：所述的催化剂层为贵金属、贵金属氧化物、过渡金属氧化物和过渡金属磷化物中的一种或多种。

5.一种如权利要求1-4任一项所述多孔水凝胶修饰的析气电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种多孔水凝胶修饰的析气电极的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为含氨基的硅烷偶联剂，其浓度为0.1%～1%，溶剂为乙醇或乙醇和水的混合溶液。

7.根据权利要求5所述的一种多孔水凝胶修饰的析气电极的制备方法，其特征在于：所述非离子型亲水性单体为丙烯酰胺及其衍生物中的一种或多种。

8.根据权利要求5所述的一种多孔水凝胶修饰的析气电极的制备方法，其特征在于：步骤（3）中将制备的预凝胶溶液负载到基体电极表面的方法包括表面涂覆、在预凝胶液中浸渍或电化学沉积。

9.权利要求1-4任一项所述多孔水凝胶修饰的析气电极在电解水制氢、二次金属空气电池和可再生燃料电池方面的应用。

技术总结
本发明涉及一种多孔水凝胶修饰的析气电极、制备方法及其应用，所述的析气电极由基体电极和多孔水凝胶薄膜组成，所述的基体电极包括导电基体和催化剂层，所述的催化剂层负载在导电基体表面，所述的多孔水凝胶薄膜（厚度约0.5～2μm）负载在催化剂层表面。本发明利用多孔水凝胶的超亲水超疏气性能，减少析气反应过程产生的气泡聚集，使生成的气泡能够快速离开电极表面，同时多孔水凝胶薄膜也可以防止催化剂从导电基体表面脱落，增强析气反应的催化活性和稳定性。本发明适用于气体析出反应的电极，如电催化析氢、析氧和析氯反应等。所述方法简单可控，原料价廉易得，效果显著，在电解水制氢、二次金属空气电池、可再生燃料电池领域具有良好的应用前景。

技术研发人员：张爱勤,郭东杰,贺伟,肖元化,曹霞
受保护的技术使用者：郑州轻工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15