镍电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及材料表面处理技术及电催化技术领域，特别是涉及一种镍电极及其制备方法和应用。所述镍电极的制备方法，采用电刻蚀法对镍基体进行刻蚀，具体包括：以镍基体作为阳极电极，与阴极电极共同置于电解液中进行电解，其中，电解时的电量为1C/cm2至240C/cm2。本发明专利技术还涉及一种由所述的镍电极的制备方法制备得到的有序结构表面镍电极。本发明专利技术进一步涉及一种碱性水电解制氢装置，包括阳极电极、阴极电极和碱性电解液，其中，所述阳极电极和/或所述阴极电极为所述的镍电极。述阴极电极为所述的镍电极。述阴极电极为所述的镍电极。

【技术实现步骤摘要】
镍电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料表面处理技术及电催化
，特别是涉及一种镍电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]气候变化要求使用清洁能源减少碳排放，可再生能源水电解制氢在未来的低碳社会中将成为主要的储能方式。碱液水电解、质子交换膜水电解(PEM)和固体氧化物水电解制氢是主要的技术路线。与PEM水电解相比，碱性水电解技术成熟，设备材料投资成本低，是目前的应用最多的水电解制氢方式。
[0003]通常在313K
‑
363K的温度下，使用零间隙组件和高导电性电解质(20
‑
30wt％KOH)提升碱性水电解效率。但是受碱液的本征电阻率高的影响，碱性水电解效率低能耗高，而且设备体积大，电流密度低(<400mA/cm2)。碱性电解槽的电极放在碱液中，在阴极发生HER析氢反应产生氢气，在阳极发生OER析氧反应产生氧气，气泡堵塞电极表面的活性位点，改变电极附近的电解液中的电流分布，同时碱液中的气泡增加电解液电阻，这会限制大电流密度下的电压效率。这种情况在阴极尤为严重，因为阴极氢气跑的化学计量体积是阳极氧气的2倍。作为最经典的电解水电极，Raney
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Ni因具有大比表面积而表现出良好催化活性，一直沿用至今。但在Raney
‑
Ni电极的制备过程中，需要高纯度的Raney
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Ni合金作原料，以确保其高活性和稳定性，有的还需要等离子设备及高温高压条件，使制备成本加大。泡沫镍的高导电和高比表面积使得泡沫镍成为支持HER/OER催化剂的新基材。虽然泡沫镍的多孔结构可以促进电解质的传质，但无序的孔/镍骨架排列不利于水电解过程中产生的气泡的快速释放，影响电解效率。
[0004]传统方法采用喷砂、激光烧蚀、化学刻蚀等对镍表面进行粗糙化处理，来提升水电解效率。但是这些方法均不能产生有序的孔结构，这些粗糙化处理后的粗糙表面不均匀，导致电解效率的提升有限。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要提供一种有序三维粗糙表面结构的镍电极及其制备方法和应用，能够有效提高电解水效率。
[0006]本专利技术一方面，提供一种镍电极的制备方法，采用电刻蚀法对镍基体进行刻蚀，具体包括：
[0007]以镍基体作为阳极电极，与阴极电极共同置于电解液中进行电解，其中，电解时的电量为1C/cm2至240C/cm2。
[0008]在其中一个实施方式中，所述电解液为酸性电解液。
[0009]在其中一个实施方式中，所述酸性电解液为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的任意一种，所述酸性电解液的浓度为0.01mol/mL至10mol/mL。
[0010]在其中一个实施方式中，所述酸性电解液为浓度2mol/mL的硫酸。
[0011]在其中一个实施方式中，电解时的阳极电流为1mA/cm2‑
1A/cm2。
[0012]在其中一个实施方式中，电解时的阳极电流为50mA/cm2，电解时间为10分钟～20分钟。
[0013]在其中一个实施方式中，电解时的阳极电流为50mA/cm2，电解时间为30分钟～40钟。
[0014]本专利技术还一方面，提供一种由所述的镍电极的制备方法制备得到的有序结构表面镍电极。
[0015]在其中一个实施方式中，所述有序结构表面镍电极表面粗糙度为2.8至6.6。
[0016]本专利技术再一方面，进一步提供一种碱性水电解制氢装置，包括阳极电极、阴极电极和碱性电解液，其中，所述阳极电极和/或所述阴极电极为所述的镍电极。
[0017]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0018]本专利技术提供的镍电极的制备方法，采用电刻蚀法对镍基体表面进行粗糙化处理，得到有序三维粗糙表面结构，该结构可增加电极的比表面积，增加单位面积活性位点的暴露，加速气泡释放，提高水电解中的电极活性，进而有效提升水电解中的电解反应效率。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为实施例1～5以及对比例1制备的镍电极样品Ni
‑
1、Ni
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E5、Ni
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E10、Ni
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E20、Ni
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E30、Ni
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E40的扫描电镜图，其中，标号(a)的部分显示为Ni
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1的扫描电子形貌，标号(b)的部分显示为Ni
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E5的扫描电子形貌，标号(c)的部分显示为Ni
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E10的扫描电子形貌，标号(d)的部分显示为Ni
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E20的扫描电子形貌，标号(e)的部分显示为Ni
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E30的扫描电子形貌，标号(f)的部分显示为Ni
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E40的扫描电子形貌；
[0021]图2为对比例1～4制备的镍电极样品Ni
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1、Ni
‑
2、Ni
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3以及Ni
‑
4的扫描电镜图，其中，标号(a)的部分也显示为Ni
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1的扫描电子形貌，标号(b)的部分显示为Ni
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2的扫描电子形貌，标号(c)的部分显示为Ni
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3的扫描电子形貌，标号(d)的部分显示为Ni
‑
4的扫描电子形貌；
[0022]图3为实施例1～5及对比例1～4的制备的镍电极样品Ni
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E5、Ni
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E10、Ni
‑
E20、Ni
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E30、Ni
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E40、Ni
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1、Ni
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2、Ni
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3以及Ni
‑
4分别作为阴极电极制备的电解装置在不同电压下的电流变化曲线图；
[0023]图4为加速循环测试电流密度和时间的变化图；
[0024]图5为实施例4及对比例1的制备的镍电极样品的循环稳定性测试曲线图。
具体实施方式
[0025]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关附图对本专利技术进行更全面的描述。附图中给出了本专利技术的较佳实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻
全面。
[0026]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍电极的制备方法，其特征在于，采用电刻蚀法对镍基体进行刻蚀，具体包括：以镍基体作为阳极电极，与阴极电极共同置于电解液中进行电解，其中，电解时的电量为1C/cm2至240C/cm2。2.根据权利要求1所述的镍电极的制备方法，其特征在于，所述电解液为酸性电解液。3.根据权利要求2所述的镍电极的制备方法，其特征在于，所述酸性电解液为硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的任意一种，所述酸性电解液的浓度为0.01mol/mL至10mol/mL。4.根据权利要求3所述的镍电极的制备方法，其特征在于，所述酸性电解液为浓度2mol/mL的硫酸。5.根据权利要求1所述的镍电极的制备方法，其特征在于，电解时的阳极电流为1mA/c...

【专利技术属性】
技术研发人员：马炬刚，杨明烨，杨福源，欧阳明高，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：