一种基于固态沉积技术的Ni-Fe涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种基于固态沉积技术的Ni

【技术实现步骤摘要】
一种基于固态沉积技术的Ni
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Fe涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于涂层
，尤其涉及一种基于固态沉积技术的Ni
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Fe涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]煤炭和石油是当前社会经济发展的重要组成部分，但传统化石能源由于过度开采和消耗，产生大量温室气体，带来了严重的环境污染和能源危机问题。清洁、高效的新型可再生能源的研究、发展和应用是解决上述问题的重要途径之一，“碳中和、碳达峰”政策确立后，明确了氢能在新能源中的战略性地位，也给制氢行业带来了巨大的机遇。在众多制氢技术之中，以可再生能源为动力的电解水有望扩大制氢规模，实现零二氧化碳排放，降低化石燃料使用量，提升能量转换率。碱性电解水是最成熟的制氢技术之一，因其制氢密度高、制备工艺简单等特点得到了广泛的应用。目前，商用的电解水制氢电极铂(Pt)，不仅昂贵而且稀少，阻碍了碱性电解水制氢技术的大规模实际应用。因此，开发高活性、低成本的电极尤为重要。有研究者尝试在铂(Pt)中引入镍(Ni)，发现镍能够裂解水分子中的H
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OH键(氢键)，是高性能电解水制氢电极材料。
[0003]目前已有专利制备了电解水制氢阴极涂层。专利CN113481534A利用电沉积的方法制备电极材料，其制备方法简单易操作，但是沉积得到的颗粒尺寸均匀度较差，且不受控，制备电极过程易出现氧化，进而对催化活性会有一定的影响。专利CN114318400A利用了水热法进行电极涂层的制备，得到的涂层粒子分散性较好，但涂层与基体结合性能较差，不利于涂层稳定服役，且无法大面积制备电极涂层。已有研究指出，在碱性电解液条件下，电解水制氢阴极涂层的氧化和剥落会降低其活性和稳定性。
[0004]固态沉积是一种很有前途的金属和复合材料涂层制备技术，其原理是固体粉末颗粒在压缩气体的超音速射流中加速至高速后，在完全固态下与基材碰撞产生局部塑性变形，实现大面积均匀高效沉积。它具有许多优点，如无氧化、无相变、冶金结合界面不仅可以保持了原材料的物理和化学性能，而且可以获得高结合强度，从而大幅度提升电解水制氢电极的耐久性和催化活性。
[0005]针对现有碱性电解水制氢阴极涂层材料成本高，制备过程易引起涂层氧化、涂层易脱落且不便于大面积制备的问题，基于固态沉积技术制备具有高催化活性、高结合强度、无氧化、大面积Ni
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Fe电解水制氢阴极涂层，并以此促进电解水制氢的商业化应用就十分重要。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中电解水制氢阴极涂层催化活性低、易氧化、且使用贵金属材料、不宜大面积制备等问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于固态沉积技术的Ni
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Fe涂层及其制备方法与应用。
[0008]本专利技术的第一个目的是提供一种Ni
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Fe涂层的制备方法，采用固态沉积技术将Ni和Fe混合粉末沉积在基体表面，得到所述Ni
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Fe涂层；所述混合粉末中Ni和Fe的质量占比均不低于30％；所述固态沉积技术中气体的总压力为3MPa
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4MPa；气体的温度为700℃
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900℃。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述混合粉末中Ni和Fe的质量占比如果超出限定范围，则少的那种粉末容易在电解水过程中起到的作用减小，使得电解水效率降低。总压力影响粒子撞击基体速度，气体的温度影响粒子撞击基体温度，撞击基体的速度、温度则会影响粉末沉积效果，如果低于限定粉末沉积效率低，浪费大量粉末且涂层会不均匀；而高于限定温度粉末面临微熔氧化的风险。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，Ni粉末和Fe粉末的粒径均为5
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80μm。粒径不但影响粒子撞击温度，而且影响撞击速度，粒径过大则易在沉积时反弹。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述基体的表面经过80目砂纸打磨。基体表面打磨可以增加基体表面粗糙度，增加粉末沉积在基体上的效率。同时也将基体表面杂质清除，防止涂层中混入非设定体系材料。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述基体的材料为镍基金属板。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述固态沉积技术中喷枪的喷涂距离为30mm
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50mm，移动速度为300mm/s
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700mm/s，送粉转速为5r/min
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9r/min。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述气体为氮气和氦气。
[0015]本专利技术的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的Ni
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Fe涂层。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述Ni
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Fe涂层的厚度为0.2mm
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0.5mm。
[0017]本专利技术的第三个目的是提供一种所述的Ni
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Fe涂层在电解水制氢中的应用。本专利技术的技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0018](1)本专利技术所述的Ni
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Fe涂层以Ni
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Fe混合金属粉末作为涂层原材料，均为非贵金属，资源储备丰富，大幅度降低电解水制氢阴极涂层的制备成本。
[0019](2)本专利技术所述的Ni
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Fe涂层制备过程中涂层不易氧化，且成品面积大，实际应用中提供更多的氢气通道、反应位点。从而提升了反应活性，使电极与电解质更好地接触，进而降低过电位。同时制备过程缓解了高温对基体和涂层材料的影响，既能避免涂层材料和基体材料由于高温而带来的氧化失效和导电性降低，还能使得涂层与基体的结合更加牢固，有效延长电极工作寿命。
[0020](3)本专利技术所述的Ni
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Fe涂层在电解水制氢具有很大的应用前景。电催化剂需要中等强度，因为更强的结合会阻碍产出气体的排出，而较弱的结合会导致中间体难以稳定。而d区元素金属如Fe，通常对主族元素有适度的吸收，因为在它的最外层s轨道和次外层d轨道上有不成对的电子。此外，电催化剂的适当几何构型将显著提高催化活性。如果晶格间距太大，双原子反应物的吸收和双原子产物的形成将受到抑制；如果原子排列得太紧密，就会产生强烈的反应物排斥。Ni
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Fe材料体系对反应中间体有中等吸收亲和力，且与反应配位良好匹配。可促进析氢反应，降低电解水能耗即降低过电位，提高制氢效率即减小塔菲尔(Tafel)斜率。
附图说明
[0021]为了使本专利技术的内容更容易被清楚地理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合
附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中：
[0022]图1为本专利技术使用的固态沉积系统示意图。
[0023]图2为本专利技术实施例1制备的大面积电极涂层实物图。
[0024]图3为本专利技术实施例1制备的大面积电极涂层的微观结构图。
[0025]图4为本专利技术实施例1制备的大面积电极涂层光镜检测孔隙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ni
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Fe涂层的制备方法，其特征在于，采用固态沉积技术将Ni和Fe混合粉末沉积在基体表面，得到所述Ni
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Fe涂层；所述混合粉末中Ni和Fe的质量占比均不低于30％；所述固态沉积技术中气体的总压力为3MPa
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4MPa；气体的温度为700℃
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900℃。2.根据权利要求1所述的Ni
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Fe涂层的制备方法，其特征在于，Ni粉末和Fe粉末的粒径均为5
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80μm。3.根据权利要求1所述的Ni
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Fe涂层的制备方法，其特征在于，所述基体的表面经过80目砂纸打磨。4.根据权利要求1所述的Ni
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Fe涂层的制备方法，其特征在于，所述基体的材料为镍基金属板。5.根据权利要求1所述的Ni<...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞泽新，桂珑恩，谢迎春，王延冲，匡荻，尤琪，王博通，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：