一种具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料及其制备方法和应用

本发明属于电化学能源材料，具体涉及一种具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢能是一种清洁能源，与传统的工业制氢方法(如蒸汽重整、部分氧化、煤气化等)相比，电化学水裂解生产高纯氢气是一种经济、友好的方法。然而，阳极析氧反应(oer)的热力学和动力学不尽如人意，严格限制了能量转换效率。因此，用其他热力学势较低的阳极反应代替oer可以实现节能制氢。其中，理论电位较低的尿素氧化反应(uor)被认为是oer的一种有前途的替代方法，可用于净化生活和工业污水中产生的富尿素废水。因此，开发高效的uor和her催化剂对于通过尿素辅助水电解法生产节能型h2具有重要意义，但仍具有挑战性。尤其是，虽然大多数电催化剂在10ma cm-2等低电流密度下具有良好的耐久性，但它们是否能在大电流密度下承受电化学腐蚀并具有显著的运行耐久性，应用于工业生产，仍是科研工作者亟需解决的技术难题。

2、目前，镍基催化剂因其低廉的价格和独特的d电子构型而被广泛研究，包括镍基氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等，虽然展示出优异的uor电催化性能，但不令人满意的析氢电催化性能以及无法满足大电流密度的要求严重限制了其实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、本发明的第一目的是具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料的制备方法，包括以下具体步骤：

4、步骤s1，制备预处理泡沫镍：将泡沫镍依次浸入盐酸、去离子水和乙醇溶液中各超声数分钟，得到预处理后的泡沫镍；所述泡沫镍的尺寸大小为2.0×0.25cm2～2.0×1.1cm2；

5、步骤s2，制备含金属钯镍源的沉积液：将氯钯酸、硫酸镍和硫酸铵溶解于去离子水中，搅拌后得到沉积液；所述硫酸镍、氯钯酸和硫酸铵的摩尔浓度比为40:(1～10):60；

6、步骤s3，制备具有安培级电流密度镍钯合金双功能电极材料：将步骤s1得到的泡沫镍浸入步骤s2所制的沉积液中，采用阴极恒电流沉积法进行制备沉积，真空干燥后得到具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料。

7、进一步的，步骤s1中，所述盐酸浓度为2～2.5mol l-1，超声时间为15～20min。

8、进一步的，步骤s3中，采用阴极恒电流沉积法中的电流密度为-180ma cm-2，电沉积时间为15～20分钟。

9、进一步的，步骤s3中，所述真空干燥的温度为60℃，时间为2～3小时。

10、本发明第二目的是提供采用上述的制备方法制得的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料。

11、进一步的，在电解池中，所述的电极材料作为阴极和阳极，催化尿素氧化的电解的电流密度不低于4a cm-2，催化析氢的电解的电流密度不低于5a cm-2。

12、本发明的第三目的是提供一种上述的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料的应用，所述电极材料应用于溶液析氢反应和/或尿素氧化反应的催化。

13、进一步的，采用所述的电极材料在尿素和氢氧化钾的混合溶液条件下进行电催化尿素氧化。

14、进一步的，采用所述的电极材料在氢氧化钾溶液条件下电解水制氢。

15、本发明的第四目的是提供一种全尿素电解的方法，在碱性电解池中，采用如权利要求5所述的电极材料作为阴极和阳极，阳极电解液为尿素和氢氧化钾的混合溶液，阴极电解液为氢氧化钾溶液，电解电流密度不低于1a cm-2，能够实现全尿素电解。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、(1)本发明提供的一种具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料的制备方法，采用阴极恒电流一步电沉积法，通过ni和pd的合金化，两者电子相互作用调节了尿素分子在电极材料上的吸附行为，有利于对尿素分子进行活化，优化了活性氢原子的吸附以及脱附，提高催化反应动力学。制备工序简单、操作方便、反应时间短、重复性可靠，无需后期高温热处理，非常适合于规模化工业生产。

18、(2)本发明提供的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料在安培级电流密度下表现出优异尿素氧化和电解析氢性能，在电流密度为4.0a cm-2时uor过电位仅为1.50v(vs.rhe)，电流密度为5.0a cm-2时her过电势仅为187mv。

19、(3)本发明提供的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料具有良好的全尿素电解水性能，在1.0acm-2的超高电流密度下可稳定工作90小时。

20、(4)本发明提供的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料在安倍级大电流密度下可以在一定时间能稳定工作，足以满足应用于工业生产。

技术特征：

1.一种具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述盐酸的浓度为2～2.5moll-1，超声时间为15～20min。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，采用阴极恒电流沉积法中的电流密度为-180ma cm-2，电沉积时间为15～20分钟。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述真空干燥的温度为60℃，时间为2～3小时。

5.一种采用如权利要求1-4中任一项所述的制备方法制得的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料。

6.如权利要求5所述的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料，其特征在于，在电解池中，所述的电极材料作为阴极和阳极，催化尿素氧化的电解的电流密度不低于4acm-2，催化析氢的电解的电流密度不低于5a cm-2。

7.一种如权利要求5所述的具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料的应用，其特征在于，所述电极材料应用于溶液析氢反应和/或尿素氧化反应的催化。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，采用所述的电极材料在尿素和氢氧化钾的混合溶液条件下进行电催化尿素氧化。

9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，采用所述的电极材料在氢氧化钾溶液条件下电解水制氢。

10.一种全尿素电解的方法，其特征在于，在碱性电解池中，采用如权利要求5所述的电极材料作为阴极和阳极，阳极电解液为尿素和氢氧化钾的混合溶液，阴极电解液为氢氧化钾溶液，电解电流密度不低于1a cm-2，能够实现全尿素电解。

技术总结
本发明提供了一种具有尿素氧化/析氢双功能的电极材料及其制备方法和应用。该制备方法包括将泡沫镍依次浸入盐酸、去离子水和乙醇溶液中分别超声，得到预处理后的泡沫镍；将氯钯酸、硫酸镍和硫酸铵溶解于去离子水中，搅拌后得到沉积液；将泡沫镍浸入所制的沉积液中，采用阴极恒电流一步电沉积法沉积，真空干燥后得到该电极材料。通过Ni和Pd的合金化，二者电子相互作用调节了尿素分子在电极材料上的吸附行为，有利于对尿素分子活化，优化了活性氢原子的吸附以及脱附，提高催化反应动力学，在安倍级电流密度下工作具有优异稳定的催化性能。该制备方法工序简单、操作方便、反应时间短、重复性可靠，无需后期高温热处理，适合于规模化工业生产。

技术研发人员：余家国,邝攀勇,柳如艳
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29