一种多孔Ni-S／TiO2复合析氢电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种多孔Ni‑S/TiO2复合析氢电极及其制备方法，属于材料科学技术领域以及电催化制氢领域。该电极以三维泡沫镍为载体提供多孔结构，镍硫镀层为表面活性层，并通过复合电沉积法将TiO2复合掺杂到镍硫镀层中，形成具有多孔结构的泡沫镍基Ni‑S/TiO2复合析氢电极。采用复合电沉积法，在三维泡沫镍表面进行镍硫镀层沉积。同时，在电沉积过程中，利用磁力搅拌将复合镀液中的纳米级TiO2掺杂到镍硫镀层中。本发明专利技术所制备的析氢电极具有过电位低、电极稳定性强等特点，并且制备工艺简单，成本低，适用于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极及其制备方法
本专利技术涉及一种多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极及其制备方法，属于材料科学
以及电催化制氢领域。
技术介绍
氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源，将在未来能源体系中占有越来越大的比例，如今已经引起世界各国关注。尽管以甲烷蒸汽重整为代表的化石燃料制氢是目前最经济的制氢方法，但其在生产过程中不仅消耗大量化石燃料，而且产生大量二氧化碳，不能从根本上解决能源危机和环境问题。碱性电解水作为最古老，技术最成熟的电解水方式，是未来最具潜力的低成本、高效率、绿色化的大规模制氢技术。如何降低能耗是碱性电解制氢大规模应用的首要问题。高活性的析氢电极可以有效降低电解能耗。铂钯等贵金属具有优良的电催化析氢活性，但受限于昂贵的价格，难以在工业生产中大量应用。目前的研究主要集中在非贵金属电极材料上，特别是Ni基材料显示了较高的析氢催化活性。除此之外，复合共沉积作为制备复合材料的方法近年来获得了较大进展，如：Ni/CeO2、Ni-Mo/WC等高活性电极相继被开发。因此，研究和开发价格低廉，析氢过电位低且稳定性高的新型析氢电极具有非常重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低成本、高催化活性及高稳定性的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极及其制备方法，解决现有析氢电极成本较高，催化活性不高以及稳定性较差等缺点。本专利技术的技术方案是：一种多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极，该电极以三维泡沫镍为载体提供多孔结构，镍硫镀层为表面活性层，并通过复合电沉积法将TiO2复合掺杂到镍硫镀层中，形成具有多孔结构的泡沫镍基Ni-S/TiO2复合析氢电极。所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极，载体为纯度99.9wt％的三维多孔泡沫镍，面密度为400～550g/m2。所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极，Ni-S/TiO2复合电沉积整体层厚度为5～10μm，TiO2的掺杂量为7～15wt.％。所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极的制备方法，包括如下步骤：(1)室温下，将泡沫镍在丙酮中脱脂除油5～15min，用超纯水进行清洗；然后，放入摩尔浓度为3M的盐酸中酸化活化处理5～10min；最后，放入超纯水中超声清洗5min并烘干待用；(2)将步骤(1)中预处理后的泡沫镍放到复合镀液中，以镍板作阳极，泡沫镍作阴极，两电极之间保持20～50mm距离；在搅拌速率为150～300r/min的磁力搅拌作用下，控制电流密度为5～10mA/cm2，复合电沉积30～50min；所述复合镀液组成包括：硫酸镍250～300g/L，氯化镍40～50g/L，硼酸35～50g/L，十二烷基硫酸钠0.05～0.1g/L，硫代硫酸钠50～100g/L，纳米级TiO210～20g/L，其余为水；(3)将步骤(2)所制备的Ni-S/TiO2复合电极放入摩尔浓度为0.5～1.5M的NaOH水溶液中，在30～50mA/cm2电流密度下，阴极电解活化10～30min；然后，用超纯水清洗4～6min，烘干后备用。所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极的制备方法，步骤(2)中，及时监控镀液pH值，用体积比3:1的盐酸与硫酸的混合液，使镀液pH保持在3.5～4.0之间。所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极的制备方法，混合液中，盐酸的摩尔浓度为1～3M，硫酸的摩尔浓度为1～3M。本专利技术采用上述技术方案后，主要有以下优点和有益效果：(1)析氢催化性能好。复合电极具有较大比表面积，在保留原有Ni-S合金高活性的基础上，可以提供更多电化学活性位点。(2)稳定性好。本专利技术制备的复合电极，由于纳米颗粒的"钉扎"效应，提升电极镀层表面的机械稳定性。。(3)制备工艺简单、成本低。同样孔径下，泡沫镍相比镍丝网具有更大的比表面积和价格优势。而且，电镀技术工艺成熟，便于实施工艺移植。电镀设备投入少，加工及维护成本低。附图说明图1为本专利技术所制备电极的微观电镜图。图2为本专利技术所制备电极和对比实验的析氢性能对比曲线。其中，横坐标E为电动势(V)；纵坐标j为电流密度(A·cm-2)。具体实施方式以下为具体实施例详细介绍本专利技术，提供实施例是为了便于理解本专利技术，绝不是限制本专利技术。实施例1本实施例中，主要采用复合电沉积法，在三维泡沫镍表面进行镍硫镀层沉积。同时，在电镀过程中，利用磁力搅拌将复合镀液中的纳米级TiO2掺杂到镍硫镀层中，具体步骤如下：(1)泡沫镍选择及预处理所述三维多孔泡沫镍的纯度为99.9wt％，面密度为480g/m2。室温下，将泡沫镍在丙酮中脱脂除油10min，用超纯水进行清洗；然后，放入3M(摩尔浓度)盐酸中酸化活化处理5min；最后，放入超纯水中超声清洗5min并烘干待用。(2)制备Ni-S/TiO2复合电极将步骤(1)中预处理后的泡沫镍放到复合镀液中，以镍板作阳极，泡沫镍作阴极，两电极之间保持30mm距离。在搅拌速率为300r/min的磁力搅拌作用下，控制电流密度为8mA/cm2，复合电沉积30min。所述复合镀液组成包括：硫酸镍300g/L，氯化镍45g/L，硼酸38g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，硫代硫酸钠100g/L，纳米级二氧化钛10g/L，其余为水。同时，需要及时监控镀液pH值，用盐酸(摩尔浓度为1M)与硫酸(摩尔浓度为1M)的混合液(体积比3:1)将镀液pH保持在3.5～4.0之间。(3)复合电极的活化处理将步骤(2)所制备的Ni-S/TiO2复合电极放入1M的NaOH水溶液中，在50mA/cm2电流密度下，阴极电解活化10min；然后，用超纯水清洗5min，烘干后备用。本实施例中，Ni-S/TiO2复合电沉积整体层厚度为9μm，TiO2的掺杂量为12wt.％。如图1所示，从所制备电极的微观电镜图看出，电极表面无明显裂纹，且表面有明显的颗粒夹杂。如图2所示，从所制备电极和对比实验的析氢性能对比曲线看出，所制备电极具有更高的析氢活性。实施例2本实施例中，主要采用复合电沉积法，在三维泡沫镍表面进行镍硫镀层沉积。同时，在电镀过程中，利用磁力搅拌将复合镀液中的纳米级TiO2掺杂到镍硫镀层中，具体步骤如下：(1)泡沫镍选择及预处理所述三维多孔泡沫镍的纯度为99.9％，面密度为550g/m2。室温下，将泡沫镍在丙酮中脱脂除油5min，用超纯水进行清洗；然后，放入3M盐酸中酸化活化处理5min；最后，放入超纯水中超声清洗5min并烘干待用。(2)制备Ni-S/TiO2复合电极将步骤(1)中预处理后的泡沫镍放到复合镀液中，以镍板作阳极，泡沫镍作阴极，两电极之间保持40mm距离。在搅拌速率为150r/min的磁力搅拌作用下，控制电流密度为6mA/cm2，复合电沉积50min。所述复合镀液组成包括：硫酸镍300g/L，氯化镍45g/L，硼酸38g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，硫代硫酸钠100g/L，纳米级二氧化钛20g/L，其余为水。同时，需要及时监控镀液pH值，用盐酸(摩尔浓度为2M)与硫酸(摩尔浓度为2M)的混合液(体积比3:1)将镀液pH保持在3.5～4.0之间。(3)复合电极的活化处理将步骤(2)所制备的Ni-S/TiO2复合电极放入0.5M的NaOH水溶液中，在30mA/cm2电流密度下，阴极电解活化30min；然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔Ni‑S/TiO2复合析氢电极，其特征在于，该电极以三维泡沫镍为载体提供多孔结构，镍硫镀层为表面活性层，并通过复合电沉积法将TiO2复合掺杂到镍硫镀层中，形成具有多孔结构的泡沫镍基Ni‑S/TiO2复合析氢电极。

【技术特征摘要】
1.一种多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极，其特征在于，该电极以三维泡沫镍为载体提供多孔结构，镍硫镀层为表面活性层，并通过复合电沉积法将TiO2复合掺杂到镍硫镀层中，形成具有多孔结构的泡沫镍基Ni-S/TiO2复合析氢电极。2.按照权利要求1所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极，其特征在于，载体为纯度99.9wt％的三维多孔泡沫镍，面密度为400～550g/m2。3.按照权利要求1所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极，其特征在于，Ni-S/TiO2复合电沉积整体层厚度为5～10μm，TiO2的掺杂量为7～15wt.％。4.一种权利要求1所述的多孔Ni-S/TiO2复合析氢电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)室温下，将泡沫镍在丙酮中脱脂除油5～15min，用超纯水进行清洗；然后，放入摩尔浓度为3M的盐酸中酸化活化处理5～10min；最后，放入超纯水中超声清洗5min并烘干待用；(2)将步骤(1)中预处理后的泡沫镍放到复合镀液中，以镍板作阳极，泡沫镍作阴极，两电极之...

【专利技术属性】
技术研发人员：张开悦，刘伟华，张博，刘建国，严川伟，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21