一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极及其制备方法，本发明专利技术以球形合金粉为原料，聚丙烯腈为粘结剂，N

【技术实现步骤摘要】
一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电解水析氢材料制备
，特别是涉及一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着化石能源的不断消耗，发展绿色可靠的新型能源受到各国高度重视。氢能因为具有能量密度高、质量轻、绿色低碳等优势被视为未来最重要的清洁能源之一。目前的诸多氢能制取方式中，电解水制氢可直接利用直流电将水解离生成氧气(阳极析氧)和氢气(阴极析氢)，全程无碳的消耗与生成，是最典型的“绿氢”制取方式，也是未来能源产业的发展方向。目前，电解水制氢技术包括碱性水电解制氢、固体聚合物阴离子交换膜水电解、固体氧化物水电解等。值得指出的是，不论在何种工业电解水制氢的技术下，其运行电流密度均大于500mAcm
‑2，欧盟有关部门更是提出未来质子交换膜反应器的工作电流密度将达到2500mAcm
‑2以上。然而绝大多数电极在大电流密度条件下析氢存在产氢效率低和稳定性差的缺陷，限制了工业化电解水制氢的发展。因此开发和设计大电流密度下的高效、长稳定析氢催化剂对电解水制氢技术的推广具有重要意义，也是电解水制氢领域的重要难题。
[0003]大电流密度条件下析氢电极产氢效率低和稳定性差主要源于以下两个方面：(1)大电流密度下析氢偏压高，会引起严重的电极极化产生，导致电极表面失活；(2)大电流密度下电化学反应速率更快，将以更高的速率消耗反应物和生成氢气产物。当产物氢气无法快速脱离电极表面并溢出电极结构时，会引起严重的气泡阻塞效应，包括影响电极r/>‑
电解液界面电荷转移，导致活性下降；猛烈的气泡和逐渐升高的内压易造成催化剂剥落，降低稳定性；另外气泡的黏附造成电化学活性位点数量的减少和阻抗的增加等。可见，对于大电流析氢电催化剂的设计应充分考虑催化剂的活性表面和电极结构，在提高本征催化活性的同时构建具有气泡传输通道的新型电极。
[0004]目前提高催化剂表面的活性主要通过优化催化剂与中间产物间的成键强度，如掺杂、空位和多组元合金的协同效应等。其中掺杂和空位可以产生新的能级结构并产生局域电场，为优化过渡金属基电极材料的电子结构提供了一种有效手段。然而掺杂元素或空位容易在电极材料内部产生富集，很难实现均匀分布。合金中组分的灵活调变与各组分金属间的协同效应有助于调节活性金属的电子结构，从而实现对氢结合能的精细调控，有利于提高催化活性。温州大学侴术雷等(Angew.ChemieInt.Ed.61(2022)e202202518)通过在Ni中引入其他金属制备出一系列Ni
‑
M双金属合金，理论计算表明，当Ni与Cu合金化后会明显改善表面电子结构并使d带中心下移，从而筛选出氢结合能最优的NiCu合金催化剂，且100mAcm
‑1的电流密度下析氢过电位仅为90mV。为进一步验证合金化元素对催化活性的影响，韩国高丽大学Park等(ACSNano.16(2022)13949
–
13958)通过胶体反应合成了成分可调的W1‑
x
Nb
x
Se2三元中熵合金纳米片。理论计算和电化学测试结果表明，不同基位和边缘位置的合金元素分布不同，其氢吸附自由能也不同，验证了成分调控在提高合金催化活性方面的重要性(500mAcm
‑2的电流密度下的析氢过电位仅为133mV)。可见，合金化策略是精准调节
过渡金属基催化剂氢结合能，提升催化活性的重要手段。在电极结构设计方面，通过构建合适的传输通道可以促进气泡的快速剥离和传导，避免了因气泡阻塞带来的基础和应用问题。具有多孔结构的催化剂可以抑制气泡聚结，且提供丰富的气体通道，有利于反应物/产物的运输。且多孔结构可以一体化成型，亦可通过催化剂与多孔底物(如多孔碳、金属泡沫等)结合来实现，最有希望满足未来大电流密度下电解水制氢的需求。如湖南大学谭勇文等(Adv.Mater.n/a(2022)2207850)采用脱合金化法制备了多孔CuRu合金作为析氢反应的高效电催化剂。这种独特的三维纳米多孔结构有利于析氢过程中的电荷转移和气体传输。然而，单级大孔结构的合金催化剂存在活性位点低，而单级小孔结构不利于气体传输。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极及其制备方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术另一方面提供了一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极的制备方法，包括：
[0008]以球形合金粉为原料，聚丙烯腈为粘结剂，N
‑
N二甲基吡咯烷酮为溶剂按照预设比例制备出混合浆料；
[0009]将所述混合浆料刮涂到含不锈钢网衬底的玻璃上，随后取下不锈钢网后放入去离子水中进行交换，获得有机
‑
合金复合膜；
[0010]将所述有机
‑
合金复合膜置于马弗炉中进行空烧处理，待冷却后将空烧处理后的合金氧化物膜转移到管式炉中进行高温还原烧结处理，得到多尺度梯度多孔合金电极。
[0011]优选地，所述球形合金粉的粒径为500纳米到10微米，所述球形合金粉与所述聚丙烯腈的质量比为16：1～20：1。
[0012]优选地，所述球形合金粉包括二元NiCu、二元NiCo、三元NiCoFe、四元NiCoFeMo以及五元NiCoFeMoMn中的任一种或几种。
[0013]优选地，所述不锈钢网的目数为200
‑
400目，所述刮涂的厚度为200
‑
1000微米。
[0014]优选地，所述空烧处理的升温速率为2
‑
5℃/min，温度为450
‑
600℃，保温时间为1
‑
5h。
[0015]优选地，所述高温还原烧结的5
‑
10℃/min，温度为800
‑
1300℃，保温时间为1
‑
5h，还原气氛为氢气或氢氩混合气。
[0016]本专利技术另一方面提供了一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极，所述多尺度梯度孔合金电极是由上述方法制备得到的。
[0017]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0018]本专利技术提供了一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极及其制备方法，以球形合金粉为原料，聚丙烯腈为粘结剂，N
‑
N二甲基吡咯烷酮为溶剂按照预设比例制备出混合浆料；将所述混合浆料刮涂到含不锈钢网衬底的玻璃上，随后取下不锈钢网后放入去离子水中进行交换，获得有机
‑
合金复合膜；将所述有机
‑
合金复合膜置于马弗炉中进行空烧处理，待冷却后将空烧处理后的合金氧化物膜转移到管式炉中进行高温还原烧结处理，得到多尺度梯度多孔合金电极。本专利技术制备的电极可直接作为电解水析氢用电极材料，且该方法工
艺简单、制备成本低，可实现批量化制备大电流析氢用合金催化剂。
附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极的制备方法，其特征在于，包括：以球形合金粉为原料，聚丙烯腈为粘结剂，N
‑
N二甲基吡咯烷酮为溶剂按照预设比例制备出混合浆料；将所述混合浆料刮涂到含不锈钢网衬底的玻璃上，随后取下不锈钢网后放入去离子水中进行交换，获得有机
‑
合金复合膜；将所述有机
‑
合金复合膜置于马弗炉中进行空烧处理，待冷却后将空烧处理后的合金氧化物膜转移到管式炉中进行高温还原烧结处理，得到多尺度梯度多孔合金电极。2.根据权利要求1所述的电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极的制备方法，其特征在于，所述球形合金粉的粒径为500纳米到10微米，所述球形合金粉与所述聚丙烯腈的质量比为16：1～20：1。3.根据权利要求1所述的电解水析氢的多尺度梯度孔合金电极的制备方法，其特征在于，所述球形合金粉包括二元NiCu、二元NiCo、三元NiCoFe、四元NiCoFeMo以及五元NiCoFeMoMn中的任一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少飞，尹晓璐，李昊然，王津，孙金峰，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：