一种碱性水电解制氢用阴极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电解水阴极制备技术领域，具体涉及一种碱性水电解制氢用阴极及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：将镍粉、铝粉、铂族金属粉和石墨烯粉末混合得到混合金属粉；采用等离子喷涂将所述混合金属粉喷涂至电极基材表面形成涂层，得到析氢电极；采用碱液对所述析氢电极进行活化处理以在电极基材表面形成催化层，得到碱性水电解制氢用阴极。本发明专利技术采用等离子喷涂方式将铂族金属以及石墨烯与镍、铝共同经高温熔融后喷涂至电极基材表面形成涂层，不仅涂层与基体结合力更好，涂层更均一，电极使用寿命提升，且析氢电位较低。且析氢电位较低。

【技术实现步骤摘要】
一种碱性水电解制氢用阴极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电解水阴极制备
，具体涉及一种碱性水电解制氢用阴极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电解水工艺因其高效性而易形成产业化，是最有前景的制氢方法，具有操作简单、产品纯度高、无污染和原料来源经济等特点。碱性电解水制氢是将直流电通过碱性水溶液将水分解，在阴极(也称析氢电极)析出氢气，阳极(析氧电极)析出氧气。水电解需要的理论电压为1.23V，但在实际应用中使水分解的电压要高于该理论值，额外需要的电压则为过电位，阴极析氢、阳极析氧存在的过电位将导致实际能耗增大，成为制约电解水在工程领域发展的瓶颈，所以需降低过电位使水分解反应更加节能高效。
[0003]碱性电解水制氢由于其技术成熟，成本相对较低，是目前广泛采用的工业电解水制氢技术。工业上碱性水电解制氢的阴极催化材料主要采用雷尼镍涂层，析氢电位高，导致制氢成本居高不下，影响下游用氢的产业化规模。现有技术一般采用在雷尼镍涂层中掺杂非贵金属材料以降低阴极材料的析氢电位，但是由于非贵金属材料通过雾滴或溶液的形式涂布到电极基材表面，涂层结合力往往不好，运行时间久或电解电流密度高会导致涂层脱落，电压上涨，电极寿命不能满足需求。

技术实现思路

[0004]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有非贵金属材料改性的雷尼镍涂层结合力不好，电极寿命有限的缺陷，从而提供一种碱性水电解制氢用阴极及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]一种碱性水电解制氢用阴极的制备方法，包括以下步骤：将镍粉、铝粉、铂族金属粉和石墨烯粉末混合得到混合金属粉；采用等离子喷涂将所述混合金属粉喷涂至电极基材表面形成涂层，得到析氢电极；采用碱液对所述析氢电极进行活化处理以在电极基材表面形成催化层，得到碱性水电解制氢用阴极。
[0007]所述铂族金属为Pt、Ru、Ir、Pd、Rh中的一种或几种；优选的，所述铂族金属为Pd、Ir、Rh中的一种或几种；更优选的，所述铂族金属为Rh。
[0008]采用等离子喷涂方法形成所述涂层的方法包括以下步骤：将所述电极基材进行预热处理，并采用等离子体腔室内的喷枪将所述混合金属粉加热熔融后喷涂至预热的电极基材表面形成所述涂层。
[0009]预热温度为80～120℃，预热时间为10～30min；加热熔融温度(即粒子温度)为1700℃～2500
°
。掺杂不同铂族金属，其加热熔融温度不同。掺杂Pt时的加热熔融温度至少为1800℃；Ru的加热熔融温度至少为2400℃，Ir的加热熔融温度至少为2500℃，Pd的加热熔融温度至少为1600℃，Rh的加热熔融温度至少为2000℃。
[0010]所述涂层的厚度为30
‑
100μm。
[0011]在喷涂之前以及喷涂期间向所述等离子体腔室内通入流量为100～180scfh的氩气、流量为80～120scfh的氮气和流量为60～90scfh的氢气；
[0012]喷枪功率为90kW，喷涂距离为10cm，喷涂角度为80～95
°
、送粉速率为100g/min。
[0013]所述喷枪的线性移动速度为3～10mm/s，喷涂次数为1
‑
5遍。
[0014]采用等离子喷涂形成所述涂层的步骤还包括对电极基材进行表面粗糙化处理的步骤，所述表面粗糙化处理步骤为：在预热处理前，将所述电极基材依次经过喷砂处理、洗涤处理得到粗糙化的电极基材。优选的，所述喷砂处理为采用喷砂介质向所述电极基材表面进行喷砂处理；所述喷砂介质为100目或200目刚玉砂，喷砂次数为1
‑
3遍，喷砂表面包括所述电极基材正面或正反面。所述洗涤处理为酸洗处理或水洗处理，所述酸处理中使用的酸溶液为草酸、硫酸、盐酸中任一种或几种的混合物；优选的，所述酸溶液为浓度2.5wt％
‑
4.0wt％的硫酸。
[0015]所述析氢电极中所述镍元素与所述铝元素在所述电极基材表面的总负载量为272
‑
372g/m2，所述镍元素与铝元素的质量比为(3
‑
10)：(1
‑
6)，优选为(5
‑
7)：(3
‑
5)，更优选为6：4；所述铂族金属在所述电极基材表面的负载量为0.5
‑
3g/m2，所述石墨烯在所述电极基材表面的负载量为1
‑
5g/m2。
[0016]原料中各组分的用量为目标负载量的3
‑
4倍。
[0017]所述活化处理步骤为将所述析氢电极用碱液进行浸泡处理，所述碱液为氢氧化钠水溶液，所述氢氧化钠水溶液的浓度为10wt％
‑
30wt％，处理温度为55
‑
85℃，处理时间10
‑
50h。
[0018]所述电极基材的材质为镍或镍铁合金。优选的，所述电极基材为镍或镍铁合金的编网或拉网结构；优选的，所述电极基材的丝径为0.1
‑
0.3mm。
[0019]所述石墨烯为氧化石墨烯。
[0020]采用所述的方法制备的一种碱性水电解制氢用阴极，包括电极基材和位于所述电极基材表面的催化层，所述催化层含镍元素、铂族金属和石墨烯。
[0021]所述的一种碱性水电解制氢用阴极在碱性水电解制氢中的应用。
[0022]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0023]1、本专利的一种碱性水电解制氢用阴极的制备方法，采用等离子喷涂方式将铂族金属以及石墨烯与镍、铝共同经高温熔融后喷涂至电极基材表面形成涂层。各组分在等离子喷涂的高温熔融作用下形成均一、融合体后以高速喷向电极基材，不仅涂层与基体结合力更好，涂层更均一，且适用于大尺寸电极工业化规模化生产；铂族金属能够降低析氢过电位，并提升电极使用寿命；石墨烯能够调控电极的微观形貌，减少喷涂后催化层的裂缝，提高电极的使用寿命；再通过碱液活化处理，尽可能完全地去除涂层中的铝元素，形成微观多孔形貌的催化层，使得析氢电极比表面积增大，电化学性能得到提升。并且石墨烯电阻率极低，电子能在其间极为高效地移动，具有十分好的导电性，与铂族金属共同起到协调催化产氢的作用。综上，本专利技术的方法获得的铂族金属和石墨烯改性的雷尼镍催化层与电极基材的结合力明显提升，在高电流密度下电极的稳定性明显提升，电极使用寿命提高，且析氢电位较低，解决了现有非贵金属材料改性的雷尼镍涂层结合力不好，电极寿命有限的问题。
[0024]2、所述铂族金属为Pt、Ru、Ir、Pd、Rh中的一种或几种；优选的，至少含有Ir、Pd、Rh
中的一种或几种，更优选的，所述铂族金属为Rh，电极使用寿命提高幅度较大，并且析氢电位降低幅度较大。
具体实施方式
[0025]实施例1
[0026]一种碱性水电解制氢用阴极的制备方法，包括以下步骤：
[0027]S1，将735.3g的镍粉、490.1g的铝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱性水电解制氢用阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将镍粉、铝粉、铂族金属粉和石墨烯粉末混合得到混合金属粉；采用等离子喷涂将所述混合金属粉喷涂至电极基材表面形成涂层，得到析氢电极；采用碱液对所述析氢电极进行活化处理以在电极基材表面形成催化层，得到碱性水电解制氢用阴极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铂族金属为Pt、Ru、Ir、Pd、Rh中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂方法形成所述涂层的方法包括以下步骤：将所述电极基材进行预热处理，并采用等离子体腔室内的喷枪将所述混合金属粉加热熔融后喷涂至预热的电极基材表面形成所述涂层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，预热温度为80～120℃，预热时间为10～30min；加热熔融温度为1700℃～2500
°
；和/或，在喷涂之前以及喷涂期间向所述等离子体腔室内通入流量为100～180scfh的氩气、流量为80～120scfh的氮气和流量为60～90scfh的氢气；和/或，喷枪功率为90kW，喷涂距离为10cm，喷涂角度为80～95
°
、送粉速率为100g/min。和/或，所述喷枪的线性移动速度为3～10mm/s，喷涂次数为1
‑
5遍。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，采用等离子喷涂形成所述涂层的步骤还包括对电极基材进行表面粗糙化处理的步骤，所述表面粗糙化处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：饶洪宇，兰利娟，张彦斌，
申请(专利权)人：三一氢能有限公司，
类型：发明
国别省市：