一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极及其制备方法技术

本发明专利技术一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极及其制备方法，属于电极技术领域；首先，通过3d打印将金属盐树脂打印成双螺旋结构；在空气中烧结得到合金氧化物电极；然后，将合金氧化物电极加热至反应温度并恒温，导入氢气氩气，在设定温度下进行还原反应；随炉冷却至室温，得到合金镍铁电极；最后，将合金镍铁电极作为基底，室温下将合金镍铁电极放入RuCl3溶液中浸泡得到Ru

【技术实现步骤摘要】
一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于电极
，具体涉及一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着化石燃料消耗所带来的负面影响，人们对于开发一种高效、稳定的清洁能源的关注度日益提高。而氢能作为清洁能源的代表之一，因其燃料产物仅为无污染的水，且能量密度高等特点逐渐进入人们的视野。目前工业生产氢气的主要来自于化石燃料的水蒸气转化过程，然而该方法仍然无法摆脱对于化石燃料的依赖性。电解水作为生产氢气的方式之一，因其原材料为无污染的水且含量丰富，正成为一种有效的制氢策略。在标准条件下，水分解反应的自由能(ΔG)变化为474.4kJ mol
‑1(2H2O
→
2H2+O2)，对应的电解槽电压为1.23V，然而缓慢的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)的动力学，在实际产氢过程中需要额外的电压来驱动水分解反应。因此合理开发异常高效的非贵金属催化剂以加速整体水分解的大规模商业化是当务之急。
[0003]贵金属基材料在电解水中展现出优异的催化能力，但由于其稀缺性和高昂的成本，限制了它们的大规模应用。因此，迫切需要开发高丰度、低成本、高性能的水分解电催化剂。目前，镍、钴、铁、钼、钨等一系列非贵金属过渡金属因其丰度高、成本低而引起了人们的极大关注。而这其中镍基电催化剂如氧化物、氢氧化物、硫化物、氮化物、合金因其低成本、高催化活性和耐腐蚀性而引起了人们的极大兴趣。Zuo feng Chen等人采用了一种新颖的电化学沉积方法，用于在平面电极基板上合成三维NiCo，NiCu和CoCu合金泡沫用于析氢反应(HER)，将NiFe合金泡沫用于析氧反应(OER)。Teng,X.；Wang,J.；Ji,L.；Liu,Y.；Zhang,C.；Chen,Z.Fabrication of Three
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Dimensional Multiscale Porous Alloy Foams at a Planar Substrate for Efficient Water Splitting.ACS Sustainable Chemistry&Engineering 2019,7,5412
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5419.但其平面电极基板相比较于三维电极，其电化学活性面积较小，活性位点有限，负载的活性物质少，无法真正做到高效的水分解。现有技术中有通过水热法制备自支撑在泡沫镍(NF)上的独特的火山状FeIr合金，在1.0M KOH中的10mA cm
‑2下，OER和HER仅需要220.0和25.6mV的过电位。然而因其基底为泡沫镍的无序结构，这种结构在工业级别的电流密度下气泡无法快速逸出，从而使得气泡附着在电极表面，电化学活性位点也随之减少，进而影响整体的催化效果，从而无法做到实际的工业化应用。还有人采用聚氨酯(PU)海绵作为电镀的新方法设计用于OER的不同Fe含量的NiFe合金泡沫，结果表明，Fe的掺杂可以显着提高泡沫镍的电导率和OER性能。含有30％ Fe的NiFe合金泡沫在10mA cm
‑2下表现出292mV的过电位，并且在碱性溶液中的塔菲尔(Tafel)斜率为126.12mV decade
‑1。然而该方法采用的化学镀以及电镀NiFe合金的策略，方法复杂繁琐，且电沉积的微观形貌与泡沫镍的光滑骨架结构类似，其电化学活性面积均由活性层状材料所提供，其结构本身微观形貌光滑，不能提供大的电化学活性面积以及更多的活性位点。

技术实现思路

[0004]要解决的技术问题：
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种基于成分可调的3d打印镍铁合金的高效水分解电极及其制备方法，通过结合3d打印技术(DLP)，配方研制，以及后续的一系列烧结工艺的研究，最终实现了三维多孔多级结构的电极材料，而现有的其他的合金电极，例如在三维结构上以电镀或者水热生长的合金材料，以及采用商用金属泡沫所制成的合金泡沫，其所负载的活性材料仅在实验室电流密度下(≤100mA cm
‑2)下进行研究，而在工业级电流密度(≥400mA cm
‑2)下缺乏足够的稳定性。本专利技术涉及的成分可调的3d打印镍铁合金，采用的双螺旋结构(Gyroid)具有高比表面积和良好的结构稳定性的特点，通过调控合金的成分使得该电极具备双功能催化效果，即采用镍铁合金作为双功能催化电极，镍铁双过渡金属之间的协同作用使得其在HER以及OER中都具备优异的催化性能。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极，包括Ru
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Ni(OH)2/3DP NiFe电极和Fe
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe电极，分别用于水分解反应中的析氢反应和析氧反应。
[0007]一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极的制备方法，具体步骤如下：
[0008]步骤1：首先，设计双螺旋结构模板；然后，将金属盐、Variquat CC 42NS、己二醇二丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和二苯基
‑
(2,4,6
‑
三甲基苯甲酰)氧磷混合搅拌，得到均匀的金属盐树脂；再采用数字光处理技术将金属盐树脂打印成双螺旋结构；之后，在空气中烧结得到合金氧化物电极；
[0009]步骤2：将步骤1得到的合金氧化物电极加热至反应温度并恒温，导入氢气、氩气，在设定温度下进行还原反应；随炉冷却至室温，得到合金镍铁电极；
[0010]步骤3：将步骤2所得的合金镍铁电极作为原位生长氢氧化物的基底，采用腐蚀诱导策略制备电解水电极：腐蚀反应的溶液为RuCl3溶液，室温下将合金镍铁电极放入RuCl3溶液中浸泡2
‑
6小时后，合金镍铁电极表面被刻蚀之后形成金属氢氧化物，作为HER反应的电极，即Ru
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe；
[0011]步骤4：将步骤2所得的合金镍铁电极作为原位生长氢氧化物的基底，采用腐蚀诱导策略制备电解水电极：腐蚀反应的溶液为FeCl3溶液，室温下将合金镍铁电极放入FeCl3溶液中浸泡2
‑
6小时后，合金镍铁电极表面被刻蚀之后形成金属氢氧化物，作为OER反应的电极，即Fe
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤1中，在配制打印墨水之前，将NiSO4·
6H2O放入马弗炉中进行空烧脱水处理，空烧的温度为100
‑
200℃，其中升温速率为3
‑
5℃/min，脱水处理的时间为3
‑
5小时，得到金属盐NiSO4；将FeSO4·
7H2O放在管式炉中进行脱水处理，脱水处理的温度为80
‑
90℃，升温速率为3
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5℃/min，脱水处理的时间为1
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5小时，脱水过程中全程通氩气进行保护，气流量为100本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极，其特征在于：包括Ru
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe电极和Fe
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe电极，分别用于水分解反应中的析氢反应和析氧反应。2.一种基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极的制备方法，其特征在于具体步骤如下：步骤1：首先，设计双螺旋结构模板；然后，将金属盐、Variquat CC 42NS、己二醇二丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和二苯基
‑
(2,4,6
‑
三甲基苯甲酰)氧磷混合搅拌，得到均匀的金属盐树脂；再采用数字光处理技术将金属盐树脂打印成双螺旋结构；之后，在空气中烧结得到合金氧化物电极；步骤2：将步骤1得到的合金氧化物电极加热至反应温度并恒温，导入氢气、氩气，在设定温度下进行还原反应；随炉冷却至室温，得到合金镍铁电极；步骤3：将步骤2所得的合金镍铁电极作为原位生长氢氧化物的基底，采用腐蚀诱导策略制备电解水电极：腐蚀反应的溶液为RuCl3溶液，室温下将合金镍铁电极放入RuCl3溶液中浸泡2
‑
6小时后，合金镍铁电极表面被刻蚀之后形成金属氢氧化物，作为HER反应的电极，即Ru
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe；步骤4：将步骤2所得的合金镍铁电极作为原位生长氢氧化物的基底，采用腐蚀诱导策略制备电解水电极：腐蚀反应的溶液为FeCl3溶液，室温下将合金镍铁电极放入FeCl3溶液中浸泡2
‑
6小时后，合金镍铁电极表面被刻蚀之后形成金属氢氧化物，作为OER反应的电极，即Fe
‑
Ni(OH)2/3DP NiFe。3.根据权利要求2所述基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，在配制打印墨水之前，将NiSO4·
6H2O放入马弗炉中进行空烧脱水处理，空烧的温度为100
‑
200℃，其中升温速率为3
‑
5℃/min，脱水处理的时间为3
‑
5小时，得到金属盐NiSO4；将FeSO4·
7H2O放在管式炉中进行脱水处理，脱水处理的温度为80
‑
90℃，升温速率为3
‑
5℃/min，脱水处理的时间为1
‑
5小时，脱水过程中全程通氩气进行保护，气流量为100
‑
200mL/min，得到金属盐FeSO4。4.根据权利要求2所述基于3d打印镍铁合金的高效水分解电极的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，10
‑
30g金属盐、1
‑
10mL Variquat CC 42NS、5
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15mL己二醇二丙烯酸酯、1
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10mL乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、0.2
‑
1g二苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐茜，付港文，官操，李晨，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：