專利名稱：含有FeOOH的析氧電極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種析氧電極材料，具體地說是一種鎳基的FeOOH電極材料。本發(fā)明也涉及一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
堿性水電解制氫是目前制備氫氣比較常用而且也是發(fā)展比較成熟的一種方法。由于該法對設(shè)備投資的要求不高但消耗電量大，因此這種方法中80%的運行成本集中在電能上。因此能量轉(zhuǎn)換效率低，制氫耗能高，成本高，水電解制氫技術(shù)的廣泛應(yīng)用受到了嚴(yán)重限制。研究發(fā)現(xiàn)，水電解制氫過程中，相當(dāng)一部分能量消耗于陽極表面極化作用產(chǎn)生析氧過電位。因此，研究開發(fā)新型電極材料降低析氧過電位，提高能量轉(zhuǎn)化效率具有非常重要的實際
眉、ο就目前看，用于研究可作為析氧電極的陽極材料主要包括雷尼鎳、Ni-Fe合金等金屬及合金電極，RuO2, IrO2和RhO2等貴金屬氧化物電極，LaNiO3等鈣鈦礦型氧化物電極， Co3O4, NiCo2O4等尖晶石型氧化物電極等。與本發(fā)明相關(guān)的文獻包括[1]V. Rashkova, S.Kitova, I.Konstantinov, T.Vitanov, Electrochimica Acta, 47(2002)1555-1560 ；[2]R. N. Singh, J. F. Koenig, G. Poillerat, P. Chartier, Journal of theFlectrochemical Society,137 (1990) 1408—1413。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、污染小、能夠?qū)崿F(xiàn)快速析氧的含有FeOOH的析氧電極材料。本發(fā)明的目的還在于提供含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的含有FeOOH的析氧電極材料是由金屬鎳和 FeOOH復(fù)合構(gòu)成。所述的金屬鎳是泡沫鎳、鎳片、鎳板、鎳粉或鎳與其他金屬構(gòu)成的鎳基合金。本發(fā)明的含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法包括(1)采用化學(xué)沉淀法、水熱法、電沉積法、等離子體化學(xué)沉積法、亞鐵氧化法或強制水解法制備FeOOH ； (2)金屬鎳與 FeOOH采用如下方法之一進行復(fù)合①以一定質(zhì)量比的FeOOH、活性炭和聚四氟乙烯乳液混和，超聲處理15分鐘后在80°C水浴鍋中加熱直至混合物為糊狀，涂覆在泡沫鎳上；②通過泡沫鎳在含有IOmmol FeSO4和40mmol尿素的水溶液中，加熱至90_130°C，反應(yīng)2_8小時， 然后在60°C下烘干既得泡沫鎳原位制備的FeOOH電極材料；③利用電化學(xué)方法，將FeOOH 電沉積到金屬鎳上；④將FeOOH粉末噴涂或者濺射到金屬鎳基體上；⑤利用機械方法(如球磨等)將FeOOH和鎳粉混合均勻后，采用聚四氟乙烯粘結(jié)、噴涂、濺射等方法將FeOOH/金屬鎳的復(fù)合物與其他基體(如Ti，Co, Fe等)復(fù)合。自然環(huán)境中，羥基氧化鐵無處不在。羥基氧化鐵在工業(yè)應(yīng)用中，是合成磁性材料磁鐵礦、磁赤鐵和赤鐵礦的前驅(qū)體。它還是金屬表面腐蝕產(chǎn)物鐵銹的主要成分，金屬表面形成的腐蝕層因金屬材料的組成、用途、所處環(huán)境和暴露時間不同，鐵礦物礦相組成也不同，通常包括針鐵礦、纖鐵礦和四方纖鐵礦等。因此，羥基氧化鐵的廉價易得，可以大大降低析氧電極的成本。本發(fā)明的析氧一種機理是M」bM-0H^UM00H^^02，對Ni而言，步驟②是速控步驟，步驟③很快速；對于Fe而言，③是速控步驟，而②很快。FeOOH和金屬鎳復(fù)合后，由于Fe3+的強氧化性，會發(fā)生FeOOH+Ni2+ — NiOOH+Fe2+，而基于前面的分析，F(xiàn)e2+會很快變成 FeOOH，這樣就實現(xiàn)了反應(yīng)的加速。該機理可簡單理解為，F(xiàn)eOOH負責(zé)為鎳提供-00H，使其快速形成NiOOH，快速析氧，達到一個“快速反應(yīng)+快速反應(yīng)”的效果，從而使反應(yīng)加速。本發(fā)明的優(yōu)點在于①FeOOH作為析氧電極，性能優(yōu)良；②FeOOH價格低廉，隨處可得；③電極易制備，可采用工業(yè)上制備DSA陽極的方法制備，實用性強；④由于Fe對環(huán)境友好，可減少鈷系氧化物對環(huán)境的污染。
具體實施例方式為了更好地說明本發(fā)明的效果，下面以具體實例加以說明。實施例1將泡沫鎳放在含有IOmmol FeSO4和40mmol尿素的水溶液中，加熱至90_130°C，反應(yīng)2-8小時，然后在60°C下烘干，即可得泡沫鎳原位制備的FeOOH電極材料，F(xiàn)eOOH的載量為6. 8mgcm_2。以lmol/L的KOH作為電解液，該泡沫鎳原位制備的FeOOH作為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，KClsat作為參比電極，進行電化學(xué)測試。在電位為0. 6V，電極的電流密度為 47. 2mA cnT2。實施例2IOmmol FeSO4,40mmol尿素、水，混合均勻后，加熱至90-130°C，反應(yīng)2_8小時，即得FeOOH。將該方法得到的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、泡沫鎳作為基體制備的析氧電極。其中m(FeOOH) m(活性炭)m(聚四氟乙烯) 30 3 l，F(xiàn)e00H的載量為20mg cm_2。以lmol/L的KOH作為電解液，該電極為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，KClsat作為參比電極，進行電化學(xué)測試。在電位為0. 6V，電極的電流密度為51. 17mA cm_2。實施例30. 946g FeCl3 · 6Η20、0· 479g Na2SO4,水，混合均勻后，置于反應(yīng)釜中加熱至 100-200 °C，反應(yīng)2-8小時，即合成FeOOH。將該方法得到的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、泡沫鎳作為基體制備的析氧電極，其中 m(FeOOH) m(活性炭)m(聚四氟乙烯) 30 3 l，F(xiàn)e00H的載量為20mg cnT2。以 lmol/L的KOH作為電解液，該電極為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，飽和KCl作為參比電極，分別以 ImA cnT2、5mA cnT2、IOmA cnT2、20mA cnT2、40mA cnT2 對 FeOOH 電極進行恒流測試各2h，在IOh的測試時間內(nèi)電壓平穩(wěn)，沒有波動。證明電極性能穩(wěn)定。實施例4IOmmol FeS04、40mmol尿素、水，混合均勻后，加熱至90_130°C，反應(yīng)2-8小時， 即得FeOOH。將得到的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、金屬鎳片作為基體制備的析氧電極，其中m(FeOOH) m(活性炭)m(聚四氟乙烯) 30 3 1，F(xiàn)eOOH的載量為IOmg cm_2。以lmol/L的KOH作為電解液，該電極為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，KClsat作為參比電極，進行電化學(xué)測試。在電位為0. 6V，電極的電流密度為30. 24mA cm—2。實施例50. 946g FeCl3 · 6Η20、0· 479g Na2SO4,水，混合均勻后，置于反應(yīng)釜中加熱至 100-200 °C,反應(yīng)2-8小時，即合成FeOOH。將制備的FeOOH和金屬鎳粉混合均勻后，用 FeOOH和金屬鎳粉的復(fù)合物為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、鈦板作為基體制備的析氧電極，其中m(FeOOH) m(鎳粉)m(活性炭)m(聚四氟乙烯) 10 20 3 1，F(xiàn)eOOH的載量為-3. 3mg cm_2。以lmol/L的KOH作為電解液，該電極為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，KClsat作為參比電極，進行電化學(xué)測試。在電位為0. 6V，電極的電流密度為70. 35mA cm_2。實施例60. 946g FeCl3 · 6Η20、0· 479g Na2SO4,水，混合均勻后，置于反應(yīng)釜中加熱至 100-200°C，反應(yīng)2-8小時，即合成FeOOH。將制備的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、Ni-Fe合金作為基體制備的析氧電極，其中m(FeOOH) m(活性炭)m(聚四氟乙烯) 30 3 1，F(xiàn)eOOH的載量為IOmg cnT2。以lmol/L的KOH作為電解液，該電極為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，KClsat作為參比電極，進行電化學(xué)測試。在電位為0. 6V，電極的電流密度為62. 18mA cm_2。實施例7aiimol FeS04、2讓ol Co (NO3) 2、4(kimol 尿素和水混合均勻后，加熱至 90_130°C，反應(yīng)2-8小時，即得Fea8Co0.200H。將得到的Fea8Co0.200H作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)齊IJ、活性炭為導(dǎo)電齊U、金屬鎳片作為基體，制備析氧電極，其中Hi(Fea8C0a2OOH) m(活性炭)m(聚四氟乙烯)^ 30 3 1，F(xiàn)ea8Coa2OOH的載量為IOmg cnT2。以lmol/L的 KOH作為電解液，該電極為工作電極，碳棒為對電極，Ag/AgCl，KClsat作為參比電極，進行電化學(xué)測試。在電位為0. 6V，電極的電流密度為76. 43mA cm—2。
權(quán)利要求
1.一種含有FeOOH的析氧電極材料，其特征是由金屬鎳和FeOOH復(fù)合構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含有FeOOH的析氧電極材料，其特征是所述的金屬鎳是泡沫鎳、鎳片、鎳板、鎳粉或鎳與其他金屬構(gòu)成的鎳基合金。
3.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是將泡沫鎳放在含有 IOmmolFeSO4和40mmol尿素的水溶液中，加熱至90_130°C，反應(yīng)2_8小時，然后在60°C下烘干，即得泡沫鎳原位制備的FeOOH電極材料，F(xiàn)eOOH的載量為6. 8mg cnT2。
4.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是10mmol FeS04,40mmol尿素、水混合均勻后，加熱至90-130°C，反應(yīng)2-8小時，即得FeOOH ；將得到的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、泡沫鎳作為基體制備的析氧電極，其中FeOOH、活性炭、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為30 3 1，F(xiàn)eOOH的載量為20mg cnT2。
5.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是將0. 946g FeCl3 · 6H20、 0. 479g Na2SO4,水混合均勻后，置于反應(yīng)釜中加熱至100-200 °C，反應(yīng)2_8小時，即合成 FeOOH;將得到的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、泡沫鎳作為基體制備的析氧電極，其中FeOOH、活性炭、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為30 3 1， FeOOH 的載量為 20mg cnT2。
6.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是將IOmrnol FeS04、40mmOl尿素、水混合均勻后，加熱至90-130°C，反應(yīng)2-8小時，即得FeOOH ；將得到的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、金屬鎳片作為基體制備的析氧電極， 其中FeOOH、活性炭、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為30 3 1，F(xiàn)eOOH的載量為IOmg cnT2。
7.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是將0. 946g FeCl3 · 6H20、 0. 479g Na2SO4,水混合均勻后，置于反應(yīng)釜中加熱至100-200 °C，反應(yīng)2_8小時，即合成 FeOOH;將制備的FeOOH和金屬鎳粉混合均勻后，用FeOOH和金屬鎳粉的復(fù)合物為活性物質(zhì)、 聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、鈦板作為基體制備的析氧電極，其中FeOOH、鎳粉、活性炭、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為10 20 3 l，F(xiàn)eOOH的載量為-3.3mg cm_2。
8.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是將0. 946g FeCl3 · 6H20、 0. 479g Na2SO4,水混合均勻后，置于反應(yīng)釜中加熱至100-200 °C，反應(yīng)2_8小時，即合成 FeOOH;將制備的FeOOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、M-Fe 合金作為基體制備的析氧電極，其中FeOOH、活性炭、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為30 3 1， FeOOH 的載量為 IOmgcnT2。
9.一種含有FeOOH的析氧電極材料的制備方法，其特征是將Smmol FeSO4, 2mmolCo (NO3) 2>40mmol尿素和水混合均勻后，加熱至90-130 °C，反應(yīng)2_8小時，即得 Fea8Coa2OOH;將得到的Fea8Coa2OOH作為活性物質(zhì)、聚四氟乙烯乳液作為粘結(jié)劑、活性炭為導(dǎo)電劑、金屬鎳片作為基體，制備析氧電極，其中(Fea8COa200H、活性炭、聚四氟乙烯的質(zhì)量比為 30 3 1，F(xiàn)eci 8Cotl 2OOH 的載量為 IOmg cnT2。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種含有FeOOH的析氧電極材料及其制備方法。含有FeOOH的析氧電極材料由金屬鎳和FeOOH復(fù)合構(gòu)成。采用化學(xué)沉淀法、水熱法、電沉積法、等離子體化學(xué)沉積法、亞鐵氧化法或強制水解法制備FeOOH；將金屬鎳與FeOOH復(fù)合制備的析氧電極。本發(fā)明的優(yōu)點在于FeOOH作為析氧電極，性能優(yōu)良；FeOOH價格低廉，隨處可得；電極易制備，可采用工業(yè)上制備DSA陽極的方法制備，實用性強；由于Fe對環(huán)境友好，可減少鈷系氧化物對環(huán)境的污染。
文檔編號C25B11/06GK102220601SQ20111015544
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者盧幫安, 曹殿學(xué), 王貴領(lǐng) 申請人:哈爾濱工程大學(xué)