一种钒基多孔析氢阴极及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种钒基多孔析氢阴极及其制备方法和用途，制备方法包括如下过程：将钒粉、钛粉和镍粉球磨混匀，得到球磨混合料A，以质量百分数计，球磨混合料A中包括：50％

【技术实现步骤摘要】
一种钒基多孔析氢阴极及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于氢的电催化
，具体涉及一种钒基多孔析氢阴极及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]氢能，无论是作为能量载体，还是直接作为燃料，均将成为未来能源体系的一大支柱。电解水制氢是一种极为优越的能够直接获得高纯氢气的制氢技术。利用太阳能、风能等间歇能源发电，然后电解水制氢，生成可储运的氢能，被认为是解决当今环境污染问题的有效途径之一。
[0003]现有技术水平：电解水设备每生产1kg氢气需消耗54
‑
67kWh的电量，而理想可接受的电耗在36kWh左右，只有达到该水平，氢能源的广泛使用才更加可行。电解水制氢能耗高的原因主要源于过电压，水的理论分解电压为l.23V，而工业电解槽的平均电压为1.8V左右，阴、阳极过电位高(约占槽电压的1/3)，导致成本大大增加。一般而言，电解水工业广泛使用DSA阳极，铁和镀镍阴极，当电流密度为150mA
·
cm
‑2时，阳极析氢过电位为0.03V，阴极析氢过电位分别为0.38V和0.48V，由于阴极过电位过高，导致电解制氢过程电能消耗很大。因此开发具有高活性和高稳定性的析氢阴极材料是当前研究的热门话题。
[0004]贵金属电催化剂有优异的性能，但高成本限制了电催化技术的大规模发展，因此现阶段迫切需要一种高效的新型催化剂来取代贵金属电催化剂。常规镍基、铁基电催化剂在高电流密度和高碱度条件下长期并间歇性电解析氢时，会存在组分溶出，电解析氢稳定性降低，所以，在制备相关析氢阴极时，除考虑析氢活性外，还需考虑电极的工作稳定性。目前研究中，虽然不少种类析氢阴极的过电位能达到200mV以内，但其长期电解稳定性依旧不高，主要是其在间歇供电的情况下，存在着活性组分溶出，破坏组织结构，降低析氢活性和循环稳定性，故而极大地限制了该类电极在工业上的使用，减缓了氢能开发的进度。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和不足，本专利技术的目的在于提供一种钒基多孔析氢阴极及其制备方法和用途，本专利技术能够解决长时间电解和间断通电情况下电极组分溶出、损坏的问题，实现电解制氢电极的长效稳定。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种钒基多孔析氢阴极材料的制备方法，包括如下过程：
[0008]将钒粉、钛粉和镍粉球磨混匀，得到球磨混合料A，以质量百分数计，球磨混合料A中包括：50％
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70％的钒粉，10％
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20％的钛粉，余量为镍粉；
[0009]向所述球磨混合料A中加入造孔剂并混合均匀，得到球磨混合料B；
[0010]将所述球磨混合料B压制成生坯；
[0011]将所述生坯在保护氛围下进行烧结，得到所述钒基多孔析氢阴极材料，烧结时分两段烧结，先将生坯以升温速率为5
‑
10℃/min升温至300
‑
400℃，保温30
‑
60min，之后再以
升温速率为5
‑
10℃/min升温至800
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1200℃，保温时间为2
‑
8小时，保温结束后随炉冷却至室温。
[0012]优选的，钒粉、钛粉和镍粉的纯度均在99.5％以上。
[0013]优选的，钒粉的平均粉末粒径为10
‑
50μm，钛粉的平均粉末粒径为10
‑
50μm，镍粉的平均粉末粒径为10
‑
50μm，且钒粉、钛粉和镍粉的最大粒径都不超过75μm。
[0014]优选的，将钒粉、钛粉和镍粉球磨混匀时，在200
‑
400r/min转速下球磨2
‑
6小时。
[0015]优选的，向所述球磨混合料A中加入造孔剂的质量为球磨混合料A质量的10％
‑
40％，加入造孔剂后，继续球磨2
‑
6小时。
[0016]优选的，所述造孔剂采用尿素、碳酸铵或碳酸钠。
[0017]优选的，将所述球磨混合料B压制成生坯时，向球磨混合料B中加入粘结剂和无水乙醇并混合均匀，之后压制成生坯；其中，粘结剂的加入量为球磨混合料B质量的1％
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5％，无水乙醇的加入量为球磨混合料B质量的5％
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10％；压制压力为150
‑
300Mpa，保压时间30
‑
90s。
[0018]优选的，所述粘结剂采用树脂、聚乙烯醇或淀粉。
[0019]本专利技术还提供了一种钒基多孔析氢阴极材料，所述钒基多孔析氢阴极材料通过本专利技术如上所述的制备方法制得。
[0020]本专利技术钒基多孔析氢阴极材料能够用于电解水制氢的阴极材料。
[0021]本专利技术具有如下有益效果：
[0022]本专利技术利用造孔剂和烧结过程中各金属粉末之间的扩散效应，使得钒基材料产生大量交错贯穿的孔隙，能够有效增加材料的比表面积，促进提高析氢反应活性。因此本专利技术的钒基多孔析氢阴极材料具有比表面积大、多孔的性质。本专利技术利用钒、钛、镍烧结后的协同催化作用，降低多孔析氢阴极材料的析氢过电位，从而提高电极的电催化作用。因此本专利技术的钒基多孔析氢阴极材料具有析氢过电位低、协同催化作用好的特点。本专利技术所用的钒、钛、镍金属粉末在烧结后会形成储氢合金效果，具有吸附氢的能力，在正常电解制氢时，可吸收一部分的氢，在断电时，吸收的氢可以通过扩散作用迁移到电极表面，从而替代电极组分发生氧化反应，保护电极材料，提高电极的析氢稳定性。因此本专利技术的钒基多孔析氢阴极材料具有耐腐蚀性好、析氢稳定性高的特点。从本专利技术的制备工艺可以看出，相较于现有的将原料熔炼再进行破碎的工艺，本专利技术在制备过程中工艺简单可控，且没有三废的产生，可实现批量生产。
附图说明
[0023]图1为实施例1中制备的钒基多孔析氢阴极的电极表面显微形貌图。
[0024]图2为实施例1中制备的钒基多孔析氢阴极的线性扫描伏安曲线。
[0025]图3为实施例2中制备的钒基多孔析氢阴极的电极表面显微形貌图。
[0026]图4为实施例2中制备的钒基多孔析氢阴极的线性扫描伏安曲线。
[0027]图5为实施例3中制备的钒基多孔析氢阴极的电极表面显微形貌图。
[0028]图6为实施例3中制备的钒基多孔析氢阴极的线性扫描伏安曲线。
[0029]图7为实施例4中制备的钒基多孔析氢阴极的电极表面显微形貌图。
[0030]图8为实施例4中制备的钒基多孔析氢阴极的线性扫描伏安曲线。
[0031]图9为实施例5中制备的钒基多孔析氢阴极的电极表面显微形貌图。
[0032]图10为实施例5中制备的钒基多孔析氢阴极的线性扫描伏安曲线。
具体实施方式
[0033]以下结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术做具体说明。
[0034]本专利技术下面将通过具体的实施例进行更详细的描述，但本专利技术的保护范围并不受限于这本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钒基多孔析氢阴极材料的制备方法，其特征在于，包括如下过程：将钒粉、钛粉和镍粉球磨混匀，得到球磨混合料A，以质量百分数计，球磨混合料A中包括：50％
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70％的钒粉，10％
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20％的钛粉，余量为镍粉；向所述球磨混合料A中加入造孔剂并混合均匀，得到球磨混合料B；将所述球磨混合料B压制成生坯；将所述生坯在保护氛围下进行烧结，得到所述钒基多孔析氢阴极材料，烧结时分两段烧结，先将生坯以升温速率为5
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10℃/min升温至300
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400℃，保温30
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60min，之后再以升温速率为5
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10℃/min升温至800
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1200℃，保温时间为2
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8小时，保温结束后随炉冷却至室温。2.根据权利要求1所述的一种钒基多孔析氢阴极材料的制备方法，其特征在于，钒粉、钛粉和镍粉的纯度均在99.5％以上。3.根据权利要求1所述的一种钒基多孔析氢阴极材料的制备方法，其特征在于，钒粉的平均粉末粒径为10
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50μm，钛粉的平均粉末粒径为10
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50μm，镍粉的平均粉末粒径为10
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50μm，且钒粉、钛粉和镍粉的最大粒径均不超过75μm。4.根据权利要求1所述的一种钒基多孔析氢阴极材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜金晶，刘心海，王斌，李倩，赵丹丹，张轩，朱军，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：