一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法以及应用技术

本发明专利技术公开了一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法，包括以下步骤：S1，对过渡金属载体进行原位沉积前的表面预处理，得到表面清洁无污染的载体备用；S2，将步骤S1获得的过渡金属载体装夹于多弧离子镀设备中的样品台中，将需要溅射的金属靶材安装到靶材座上，并确保过渡金属载体中待沉积的表面完全暴露；本发明专利技术还公开了多元合金整体阴极的应用，所述多元合金整体阴极应用于电催化产氢。本发明专利技术增强了多元合金组分和过渡金属载体之间的结合力，有利于增强其耐久性，且环保无污染、金属原材料用量较少，能够提高碱水电解阴极的催化性能和耐久性，表现出较好的规模化应用潜力。表现出较好的规模化应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法以及应用


[0001]本专利技术涉及电催化、电解水制氢
，尤其涉及一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法以及应用。

技术介绍

[0002]氢气，由于具有来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、可储能等优点，正引起人们的广泛关注。碱水电解制氢是电解制氢方法之一，20世纪中期已经实现工业化，是产业化发展时间最长、现阶段技术最为成熟的电解制氢技术，其以氢氧化钾水溶液为电解质，以石棉膜为隔膜，通电将水分子进行电解得到氢气和氧气。碱水电解制氢经过长期不断发展，其技术成熟，成本较低，适用于大型项目建设，在我国电解制氢市场中处于主导地位。
[0003]碱水电解槽是碱水电解技术所需的核心装备，主要由槽体、阳极、阴极、隔膜等组成，阴极和阳极通过外电路连接形成完整的导电回路，通常一个完整的商用电解槽许多电解单元组成。对于单个电解水单元理论上需要1.23V电压(水的理论分解电压，Ed)就能够驱动水分解产生氢气，但是在实际过程中需要的1.8
‑
2.0V(电流密度在0.3
‑
1A m
‑
2)电压，远高于1.23V的理论电压，这主要是由于热力学的不可逆性增加了能量的消耗以及各种动力学阻碍使得电催化水分解反应需要克服一个活化能垒才能进行。电解槽中水分解析氢反应(HER) 产生的过电位是电解水槽压增加的主要原因之一，这是催化剂表面发生电化学反应的固有特性。现有的商用电解槽中阴极材料采用的主要是镍基金属电极，这些镍基电极的制备方法主要有电镀、等离子喷涂、粉末烧结等，这些方法虽然能够获得良好催化活性，但是其活性组分和载体之间的结合力较弱，在长期的高温、高压、强碱的电解槽中耐久性较差，同时这些方法对环境有一定的污染并且需要大量的金属原材料，增加电极的成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法以及应用，通过采用多弧离子镀技术在过渡金属载体表面原位沉积多元合金材料，获得具有高耐久性和催化活性的碱水电解槽用整体阴极。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1，对过渡金属载体进行原位沉积前的表面预处理，得到表面清洁无污染的载体备用；
[0008]S2，将步骤S1获得的过渡金属载体装夹于多弧离子镀设备中的样品台中，将需要溅射的金属靶材安装到靶材座上，并确保过渡金属载体中待沉积的表面完全暴露；
[0009]S3，设置多弧离子镀设备的相关工艺参数，在惰性气氛下进行多弧离子溅射沉积，通过控制沉积的时间、温度、靶电流以及偏压等控制多元合金的沉积形貌和厚度，获得多元合金整体阴极。
[0010]优选地，所述S1中的过渡金属载体为金属网、金属泡沫、金属板、碳纤维、碳布或者
碳纸中的一种。
[0011]优选地，所述S2中的靶材直径为100mm，所述的靶材选用纯金属Pt、Ru、Ir、Ni、Al、Ti、Au、Ag、Cr、Mo、Co靶材或者其二元、三元合金靶材中的任意一种或者几种。
[0012]优选地，所述S3中的多弧离子镀设备工作时真空度为5
‑
100Pa；所述的气氛选用氩气或者氮气中的一种，保证有效的辉光放电；所述的沉积时间为2
‑
48小时；沉积温度范围为300
‑
600℃；所述的靶电流为40
‑
200A；所述的偏压为60
‑
200kV。
[0013]优选地，所述S3中多元合金的沉积形貌有颗粒状、板状、多孔结构、棒状、球形以及片状，所述多元合金的厚度在100nm
‑
100μm。
[0014]本专利技术还公开了多元合金整体阴极的应用，所述多元合金整体阴极应用于电催化产氢。
[0015]本专利技术与现有技术相比，其有益效果为：
[0016]本专利技术在过渡金属载体表面原位沉积多元合金，获得一种高催化活性和耐久性的碱水电解制氢阴极，多弧离子溅射沉积过程中，采用两种或者多种纯金属靶材同时开启或者采用多元合金靶材，可以实现不同金属材料在过渡金属载体表面的原位生长，通过控制沉积的时间、反应温度、靶电流以及偏压，可获得不同表面结构的多元合金整体阴极制备，多元合金整体阴极具有较高的比表面，能够有效的提高催化活性。同时，由于多弧离子镀本征的原位生长特性，增强了多元合金组分和过渡金属载体之间的结合力，有利于增强其耐久性，本方法制备工艺环保无污染、金属原材料用量较少，能够提高碱水电解阴极的催化性能和耐久性，表现出较好的规模化应用潜力。
附图说明
[0017]图1是没有进行任何处理的过渡金属镍网表面SEM图(即本专利技术对比例1中的阴极)；
[0018]图2是本专利技术实施例1中得到的多元合金阴极表面SEM图；
[0019]图3是本专利技术实施例1中得到的多元合金阴极X射线EDX能谱图；
[0020]图4是本专利技术实施例2中得到的多元合金阴极表面SEM图；
[0021]图5是本专利技术实施例2中得到的多元合金阴极X射线EDX能谱图；
[0022]图6是本专利技术实施例3中得到的多元合金阴极表面SEM图；
[0023]图7是本专利技术实施例3中得到的多元合金阴极X射线EDX能谱图。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0025]参照图1
‑
7，一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法，包括以下步骤：
[0026]S1，对过渡金属载体进行原位沉积前的表面预处理，得到表面清洁无污染的载体备用；
[0027]S2，将步骤S1获得的过渡金属载体装夹于多弧离子镀设备中的样品台中，将需要溅射的金属靶材安装到靶材座上，并确保过渡金属载体中待沉积的表面完全暴露；
[0028]S3，设置多弧离子镀设备的相关工艺参数，在惰性气氛下进行多弧离子溅射沉积，
通过控制沉积的时间、温度、靶电流以及偏压等控制多元合金的沉积形貌和厚度，获得多元合金整体阴极。
[0029]本专利技术中，所述S1中的过渡金属载体为金属网、金属泡沫、金属板、碳纤维、碳布或者碳纸中的一种。
[0030]本专利技术中，所述S2中的靶材直径为100mm，所述的靶材选用纯金属Pt、Ru、Ir、Ni、Al、Ti、Au、Ag、Cr、Mo、Co靶材或者其二元、三元合金靶材中的任意一种或者几种。
[0031]本专利技术中，所述S3中的多弧离子镀设备工作时真空度为 5
‑
100Pa；所述的气氛选用氩气或者氮气中的一种，保证有效的辉光放电；所述的沉积时间为2
‑
48小时；沉积温度范围为300
‑
600℃；所述的靶电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，对过渡金属载体进行原位沉积前的表面预处理，得到表面清洁无污染的载体备用；S2，将步骤S1获得的过渡金属载体装夹于多弧离子镀设备中的样品台中，将需要溅射的金属靶材安装到靶材座上，并确保过渡金属载体中待沉积的表面完全暴露；S3，设置多弧离子镀设备的相关工艺参数，在惰性气氛下进行多弧离子溅射沉积，通过控制沉积的时间、温度、靶电流以及偏压等控制多元合金的沉积形貌和厚度，获得多元合金整体阴极。2.根据权利要求1所述的一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法，其特征在于，所述S1中的过渡金属载体为金属网、金属泡沫、金属板、碳纤维、碳布或者碳纸中的一种。3.根据权利要求1所述的一种碱水电解槽用多元合金整体阴极的制备方法，其特征在于，所述S2中的靶材直径为100mm，所述的靶材选用纯金属Pt、Ru、Ir、Ni、Al、Ti、Au、Ag、Cr、Mo、C...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕琛，钟成林，
申请(专利权)人：山东华通新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：