一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用制造技术

本发明专利技术属于电催化剂领域，更具体地，涉及一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用。所述碱性镍基电池的再生电极为该镍基电池经若干次充、放电后且最后一次为充电状态时获得的正极产物，该正极产物中包含γ‑NiOOH；所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极。再生镍电极表面的活性物质可用做电催化析氢反应的阴极催化剂，具有较高的电催化活性和低的过电位。该发明专利技术的实施能为设计和制备具有大表面积镍电极提供相应的理论和技术支持，同时有望解决废旧电池的问题，并对推动电催化析氢商业化具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用
本专利技术属于电催化剂领域，更具体地，涉及一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用。
技术介绍
环境问题的日益凸显和化石燃料的不断消耗，不断促使人们寻找新的能源载体。氢能是一种可再生的理想能源载体，开发大规模、廉价、清洁、高效的制氢技术是新能源领域产业发展的当务之急。电解水制氢技术是提取清洁氢气的一种重要手段，氢析出反应(HER)，作为电解水的一个重要过程，受到许多研究者的关注。碱性条件下电催化分解水产氢(HER)作为一种简便高效的制氢方法被广泛应用于工业生产及相关特种行业。碱性HER反应主要包括两个连续过程：(1)解离水分子(Volmer步骤)补充所需H+；(2)还原材料表面吸附的H+产生氢气。其中，水解离Volmer过程是碱性条件下HER催化反应过程的速率限制步骤。在各种催化剂中，铂被证明是酸性介质中最有效的催化剂。但是，由于在碱性介质中动力学缓慢，水的分解过程缓慢。因此，提高水的吸附/解离能力是增强碱性HER动力学的首要任务。研究发现，一些过渡金属氧化物/氢氧化物能够有效促进H-OH键断开。Markovic等人首次将Ni(OH)2作为铂和其他几种金属催化剂的有效促进剂来提高其碱性HER活性。然而，一方面该文献中需要将氢氧化镍和贵金属铂复合；另一方面，氢氧化镍为由镍基原料制备而得，不能满足工业电解水制氢催化剂的大规模需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用，其通过将镍基电池经若干次充、放电后且最后一次为充电状态时获得的包含γ-NiOOH的正极产物用作电催化析氢反应的阴极，将其表面的活性物质作为电析氢催化剂，由此解决现有的析氢催化剂不能满足大规模工业应用需求的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用，所述碱性镍基电池的再生电极为该镍基电池经若干次充、放电后且最后一次为充电状态时获得的正极产物，该正极产物中包含γ-NiOOH；所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极。优选地，所述碱性镍基电池的正极材料以β-Ni(OH)2为主要成分。优选地，所述γ-NiOOH为层状纳米颗粒，其厚度为10-20nm。优选地，所述镍基电池充放电电流为1-100mAcm-2，充放电电压为0.2-3V，充放电循环圈数为1-1000。优选地，所述镍基电池充放电电流为80-100mAcm-2，充放电电压为1-2V，充放电循环圈数为1-100。优选地，所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极，该再生电极表面的活性物质用作电催化剂，具体为：将所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极，经过电催化析氢初始阶段的电化学析氢活化，所述正极产物中包含的γ-NiOOH转化为活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O，该活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O用作所述电催化析氢反应的电催化剂，促进析氢反应。优选地，所述电化学析氢活化具体为：所述再生电极作为阴极置于电解水装置中时，在通电条件下，该再生电极表面的γ-NiOOH先得到电子转化为活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O，然后以该活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O作为电催化剂，电催化析氢反应生成氢气。优选地，采用三电极体系进行电催化析氢反应，以所述镍基电池的再生电极作为电催化析氢反应的阴极，以铂网为对电极，以氧化汞电极为参比电极，采用线性伏安法，线性伏安法的电位范围为0-0.4Vvs可逆氢电极。优选地，采用两电极体系进行电催化析氢反应，以所述镍基电池的再生电极作为电催化析氢反应的阴极，以石墨为阳极，采用恒电位法或恒电流法进行电催化析氢反应。优选地，将所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极，所述阴极表面的活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O在电解水装置中随着电催化析氢反应过程的进行，活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O会逐渐转变为β-Ni(OH)2时，通过改变电解水的电流方向，能够使β-Ni(OH)2重新转化为γ-NiOOH，然后再次改变该电解水的电流方向，发生所述电催化析氢活化，γ-NiOOH得到电子转化为活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O，实现阴极的修复；然后再以该阴极表面的活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O作为电催化剂，电催化析氢反应生成氢气。优选地，所述镍基电池为镍锌电池、镍铁电池、镍镉电池或镍氢电池。本专利技术通过镍基电池的循环充放电来制备相变可控的镍电极材料，研究电池充放电过程中多因素对烧结镍再生电极相变的影响规律，揭示可控制备镍电极材料再生机理，从而调控其对电催化析氢反应的催化活性。本专利技术拟通过对镍基电池进行循环充放电处理来设计、构建和表征包括不同相在内的镍基纳米材料体系，并评估其作为阴极电化学产氢的性能，试图控制生成α-Ni(OH)2·0.75H2O提高镍电极裂解水的能力，大幅提升镍再生电极作为电催化析氢的活性。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提出了一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用。将镍基电池经若干次充电或放电后获得的再生电极，用作电解水产氢的催化剂，实验发现充放电后获得的再生电极上包含的特定相对电催化析氢反应表现出了较高的活性，本专利技术提供了一种高活性、低过电位且廉价易得的电解水产氢催化剂。(2)本专利技术通过利用水系镍基电池充放电来制备再生电极上镍基纳米材料，为大面积制备新型的电催化材料提供了可行的思路。现有针对纳米材料的研究较多停留在传统合成方法的改进以及尺寸和形貌的调控上，本专利技术建立了通过电池充放电的方法，基于电极表面的氧化与还原、烧结镍的电化学腐蚀等对电极材料进行再生。本专利技术以镍基纳米材料作为研究对象，基于镍锌电池充放电的方法调控镍基纳米材料的相变，并将其应用于电催化析氢，为拓展镍基电催化剂的低的催化活性的研究、取代贵金属催化剂和实现商业化提供关键技术。(3)本专利技术通过实验证实碱性镍基电池在经过长循环测试后应用在电催化析氢反应依然有较好的性能。本专利技术通过电池充放电建立起电池与电催化析氢反应的联系，为解决废旧电池的回收和电催化析氢反应商业化提供思路。随着环境和能源问题的不断恶劣，人们对于新能源的研究投入不断加大，其中电池的产量也达到空前，但是随之而来的电池回收问题也变得越来越严重。此外，人们对于电解水产氢的研究投入也非常大，但它仍然距离工业需求还很遥远。本专利技术巧妙的将电池和电解水产氢联系起来。一方面，从废旧的电池中收集的电极片可以直接用来做电催化析氢反应的催化剂，达到无成本的废品回收重利用的效果；另一方面，这种商业化的镍基电池对于电解水产氢的商业化利用有着很好的指示作用。(4)本专利技术利用商业烧结镍电极(β-Ni(OH)2)作为碱性镍基电池的正极，通过利用镍基电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用，所述碱性镍基电池的再生电极为该镍基电池经若干次充、放电后且最后一次为充电状态时获得的正极产物，该正极产物中包含γ-NiOOH；所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极。/n

【技术特征摘要】
1.一种碱性镍基电池的再生电极在电催化析氢反应中的应用，所述碱性镍基电池的再生电极为该镍基电池经若干次充、放电后且最后一次为充电状态时获得的正极产物，该正极产物中包含γ-NiOOH；所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极。


2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述碱性镍基电池的正极材料以β-Ni(OH)2为主要成分。


3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述γ-NiOOH为层状纳米颗粒，其厚度为10-20nm。


4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述镍基电池充放电电流为1-100mAcm-2，充放电电压为0.2-3V，充放电循环圈数为1-1000。


5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极，该再生电极表面的活性物质用作电催化剂，具体为：
将所述碱性镍基电池的再生电极在电解水中用作电催化析氢反应的阴极，经过电催化析氢初始阶段的电化学析氢活化，所述正极产物中包含的γ-NiOOH转化为活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O，该活性物质α-Ni(OH)2·0.75H2O用作所述电催化析氢反应的电催化剂，促进析氢反应。


6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述电化学析氢活化具体为：所述再生电极作为阴极置于电解水装置中时，在通电条件下，该再生电极表面的γ-NiOOH先得到电子转化为活性物质α-N...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏宝玉，陈圣华，陈锦曦，郭兴蓬，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42