制造水电解用电极的方法和由此制造的水电解用电极技术

本发明专利技术描述了制造水电解用电极的方法和由此制造的水电解用电极，特别描述了一种通过形成混合了氧化钼和Ni

【技术实现步骤摘要】
制造水电解用电极的方法和由此制造的水电解用电极


[0001]本专利技术涉及一种制造水电解用电极的方法和由此制造的水电解用电极。更特别地，本专利技术涉及一种通过形成混合了氧化钼和Ni
‑
Mo基合金的催化剂层来制造对析氢反应具有高催化活性的水电解用电极的方法，和由此制造的水电解用电极。

技术介绍

[0002]电化学水分解(即水电解)在两种反应中发生：由阴极的还原反应进行的析氢反应(HER)和由阳极的氧化反应进行的析氧反应(OER)。即，水电解是一种能量储存技术，可以通过使用电能以氢气的形式储存能量。
[0003]理想地，这样的水电解反应可以在施加1.23V的电压时进行。然而，为了进行实际的水电解反应，由于析氧反应和析氢反应的高过电压，需要1.23V或更高的电压，这也是水电解效率低的主要原因。因此，有必要开发降低高过电压的电极催化剂。
[0004]已知铂催化剂是水电解中活性最高的析氢反应电极。水电解根据使用的电解质来划分，有代表性的是在酸性环境中驱动的水电解和在碱性环境中驱动的水电解。
[0005]在酸性环境下驱动的水电解中，铂电极活性非常高，没有非贵金属催化剂可以替代，而在碱性环境下，由于铂催化剂的价格高而使用价格低的镍基材等。
[0006]然而，镍基材表现出低析氢反应活性，这是水电解装置效率低的原因之一。因此，为了提高水电解效率，需要解决的问题是开发在酸性环境中具有铂水平的析氢反应活性的电极以及提高碱性环境中的活性。
[0007]为了解决该问题，持续尝试通过产生将异质材料加入镍中的复合物形式来开发具有高析氢反应活性的催化剂。因此，已报道了在各种材料中，镍
‑
钼合金催化剂具有优异的析氢反应。
[0008]然而，由于迄今为止的大多数研究局限于控制镍
‑
钼的合金比例或控制镍
‑
钼合金催化剂的形状，酸性/碱性特性仍显示出低性能。即，镍
‑
钼异质复合物仍然具有析氢反应活性低的问题。
[0009]换言之，析氢反应根据下表1中所述的反应进行。
[0010]表1
[0011]类别酸性碱性Volmer反应H
+
+e
‑
+
*
→
H
*
H2O+e
‑
+
*
→
H
*
+OH
‑
Tafel反应2H
*
→
H22H
*
→
H2Heyrovsky反应H
+
+e
‑
+H
*
→
H2H2O+e
‑
+H
*
→
H2+OH
‑
[0012]如表1所示，当电解质中的氢离子或水被还原时发生氢被吸附至催化剂表面的Volmer反应。此后，发生通过吸附的氢之间的反应生成氢气的Tafel反应，或发生吸附的氢和从电解质中提供的另一个氢相遇生成氢气的Heyrovsky反应，生成氢气。已知镍是有代表性的非贵金属析氢反应催化剂材料，具有强的氢吸附特征，因此对Volmer反应相对有利。然而，强的氢吸附强度对Tafel和Heyrovsky反应产生不利影响，导致缓慢的总体制氢反应。
[0013]通过将异质钼材料引入镍电极而形成的镍
‑
钼合金可以增加水分解活性，以加快碱性Volmer反应和Heyrovsky反应，包括水分解反应。
[0014]因此，专利技术了镍
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钼合金电极作为在碱性环境中驱动水电解的析氢反应的电极。
[0015]然而，由于强的氢吸附特征，释放气体形式氢气的反应缓慢发生，这在催化活性上有局限性。
[0016]作为
技术介绍
的描述旨在理解本专利技术的背景，并承认其对应于本领域技术人员已知的相关技术。

技术实现思路

[0017]本专利技术提供了一种通过形成混合了氧化钼和镍
‑
钼(Ni
‑
Mo)合金的催化剂层来制造对析氢反应具有高催化活性的水电解用电极的方法，和由此制备的水电解用电极。
[0018]根据本专利技术的实施方案的制造水电解用电极的方法是制造用于水电解的电极的方法，所述方法包括：催化剂材料制备步骤，用于分别制备溶剂、镍(Ni)前体、钼(Mo)前体和柠檬酸钠；电极基材制备步骤，用于制备电极基材；镀液生成步骤，通过将镍(Ni)前体、钼(Mo)前体和柠檬酸钠溶解于溶剂中来生成镀液；以及电极电镀步骤，通过将电极基材浸入制备的镀液中并对其施加电流来在电极基材表面形成催化剂层。
[0019]在催化剂材料制备步骤中，溶剂用蒸馏水制备，可以将镍前体制备为包括氯化镍、硫化镍、硫酸镍和乙酸镍及其水合物中至少一种的化合物。将钼前体制备为包括钼酸钠、钼酸铵及其水合物中至少一种的化合物。
[0020]在电极基材制备步骤中，电极基材可以通过将铜(Cu)或镍(Ni)制备为泡沫状或板状来制备。
[0021]电极基材制备步骤包括：电极基材形成过程，用于通过模制来制备电极基材；以及氧化物膜去除过程，去除在模制的电极基材表面形成的氧化物膜。
[0022]镀液生成步骤的特征在于，将镍前体、柠檬酸钠和钼前体依次溶解于制备的溶剂中。
[0023]镀液生成步骤可以将0.05M至0.3M的镍前体、0.1M至0.6M的柠檬酸钠和1mM至10mM的钼前体溶解于制备的溶剂中。
[0024]镀液生成步骤可以将0.1M至0.2M的镍前体、0.1M至0.4M的柠檬酸钠和1.25mM至10mM的钼前体溶解于制备的溶剂中。
[0025]电极电镀步骤包括电镀过程，在0.1A/cm2至3A/cm2的外加电流密度下对浸入镀液中的电极基材施加电流。
[0026]电镀过程进行30至600秒。
[0027]电极电镀步骤进一步包括电镀准备步骤，在进行电镀过程之前以300rpm或更高的速度搅拌制备的镀液，并将镀液的温度保持在20℃至40℃。
[0028]另一方面，根据本专利技术的实施方案的水电解用电极是一种用于水电解的电极，其包含电极基材和催化剂层，所述催化剂层在电极基材表面上形成并通过混合氧化钼和Ni
‑
Mo基合金获得。
[0029]催化剂层的沉积使得氧化钼和纳米尺寸Ni
‑
Mo基合金均匀分布于电极基材表面上。
[0030]形成催化剂层的量可以是：Ni：30至55重量％，Mo：19至30重量％，O：20至45重量％。
[0031]根据本专利技术的实施方案，在电极基材表面上形成混合了氧化钼和Ni
‑
Mo基合金的催化剂层，从而实现在制氢反应中具有高活性的电极。
[0032]特别地，Ni
‑
Mo基合金均匀分布于氧化钼中的结构可以克服传统镍
‑
钼电极的活性限制。
[0033]此外，根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造用于水电解的电极的方法，所述方法包括：制备催化剂材料，包括溶剂、镍前体、钼前体和柠檬酸钠；制备电极基材；通过将所述镍前体、钼前体和柠檬酸钠溶解于溶剂中来获得镀液；以及通过将所述电极基材浸入所述镀液中并施加电流来在所述电极基材表面上形成催化剂层。2.根据权利要求1所述的制造用于水电解的电极的方法，其中，在制备催化剂材料时，所述溶剂是蒸馏水，所述镍前体是包括氯化镍、硫化镍、硫酸镍、乙酸镍及其水合物中至少一种的化合物，所述钼前体是包括钼酸钠、钼酸铵及其水合物中至少一种的化合物。3.根据权利要求1所述的制造用于水电解的电极的方法，其中，在制备电极基材时，所述电极基材是铜或镍的泡沫或板。4.根据权利要求3所述的制造用于水电解的电极的方法，其中，制备电极基材包括：通过模制来制备电极基材；以及去除在通过模制来制备的电极基材表面上形成的氧化物膜。5.根据权利要求1所述的制造用于水电解的电极的方法，其中，获得镀液包括：将镍前体、柠檬酸钠和钼前体依次溶解于溶剂中。6.根据权利要求1所述的制造用于水电解的电极的方法，其中，在获得镀液时，将0.05M至0.3M的镍前体、0.1M至0.6M的柠檬酸钠和1mM至10mM的钼前体溶解于制备的溶剂中。7.根据权利要求6所述的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔胜贤，朴训模，朴珉珠，李世宁，赵恩爱，宋东勋，金孝源，权容勤，卢政汉，
申请(专利权)人：起亚株式会社韩国科学技术院，
类型：发明
国别省市：