本发明专利技术提供了一种三维多孔自支撑电极基底及其制备方法和应用。所述三维多孔自支撑电极基底包括三维多孔MAX相和复合于所述三维多孔MAX相中的玻璃碳；所述三维多孔MAX相中的孔洞结构宏观有序且微观无序；所述宏观有序的孔洞结构为通孔结构。本发明专利技术提供的复合玻璃碳的MAX相基的三维多孔自支撑电极基底具备宏观孔隙和微观孔隙，且宏观孔隙有序分布，具有高交联度和高连通性，为电极的充放电过程中体积的收缩或膨胀留有空间。同时还具有高的压缩强度，结构稳定，机械性能好，且耐酸性高，负载催化粒子后，基底与催化颗粒间的结合力较强，使反应更为稳定，具有良好的电解水制氢的催化效果。果。果。
【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔自支撑电极基底及其制备方法和应用
[0001]本专利技术属于电解水催化制氢
，涉及一种三维多孔自支撑电极基底及其制备方法和应用。
技术介绍
[0002]电解水制氢技术因其制氢纯度高、清洁环保等优点引起了学术界和产业界的广泛关注。然而，电解水是由多步基元反应参与的化学变化过程，具有热力学能垒高、动力学较为缓慢等缺陷。
[0003]常用的贵金属Pt电催化剂虽能有效提高制氢效率，但材料成本较高，难以大规模应用。如CN106582712A供一种电解水制氢的催化剂，所述催化剂是碳担载纳米铜铂合金。本专利技术的催化剂具有更多的活性位点，提高电化学催化效率；同时铜的加入减少了铂的载量，进一步降低了成本；由于金属间的协同作用，铂铜合金可以有效的降低电化学反应的过电位，降低了电解池电压，减少了能耗成本。
[0004]传统的催化材料大多以粉末形式存在，需要使用粘结剂将催化材料固定到产氢电极上，如CN115832341A公开了一种制备铂碳催化剂电极的方法，经过浆料配置和电极制备，得到负载铂碳催化剂的电极。上述浆料涂覆的制备方法影响了催化剂与电解液的充分接触，降低了有效的电化学活性面积。而且有机粘结剂的使用增加了电极内阻，阻塞了某些反应活性位点，使材料实际催化性能变差。
[0005]通过构建可直接用于电催化制氢反应体系的整体式自支撑催化电极，不仅能有效解决催化剂脱粉问题，而且可以避免使用粘结剂引起的电极极化、活性组分的不均匀分散以及电化学活性表面积损失，提高活性物质的利用率和电极反应动力学速率。目前研究最为广泛的金属基自支撑催化电极在酸性介质之中稳定性低，仅适用于碱性电解槽中，催化效率受到了严重的制约。
[0006]因此，如何得到一种结构可控，且结构稳定，催化性能优异的电极结构，是急需解决的技术问题。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的在于提供一种三维多孔自支撑电极基底及其制备方法和应用。本专利技术提供的复合玻璃碳的MAX基的三维多孔自支撑电极基底具备宏观孔隙和微观孔隙，且宏观孔隙有序分布，具有高交联度和高连通性，为电极的充放电过程中体积的收缩或膨胀留有空间。同时还具有高的压缩强度，结构稳定，机械性能好，且耐酸性高，负载催化粒子后，基底与催化颗粒间的结合力较强使反应更为稳定，具有良好的电解水制氢的催化效果。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种三维多孔自支撑电极基底，所述三维多孔自支撑电极基底包括三维多孔MAX相和复合于所述三维多孔MAX相中的玻璃碳；所述三维多孔MAX相中的孔洞结构宏观有序且微观无序；所述宏观有序的孔洞结构为通孔结构。
[0010]本专利技术提供的宏观有序的孔洞结构的形状不唯一，可依据实际需求进行适应性调整，如蜂窝状、圆形或矩阵形等。
[0011]本专利技术提供的三维多孔自支撑电极基底具备宏观孔隙和微观孔隙，且宏观孔隙有序分布，且孔洞结构直上直下，为单孔直入型，迂曲度低，具有高交联度和高连通性，同时还具有高的压缩强度，结构稳定，且三维多孔MAX相结构具有高比表面积、高孔隙率、可渗透性等特性，用于催化电极不仅可以提供更大的电化学反应面积，同时多孔的结构为电极的充放电过程中体积的收缩或膨胀留有空间，使反应更为稳定，进一步复合玻璃碳后，提升了其机械强度，还改善了其在酸性溶液中的化学稳定性，负载催化粒子后，具有良好的电解水制氢的催化效果。
[0012]本专利技术中，如果有序的多孔结构中的孔洞结构不联通，会影响其比表面积，降低与电解液的接触面积。
[0013]优选地，所述通孔结构中的径向分布的偏转角为0～30
°
，例如0
°
、3
°
、5
°
、8
°
、10
°
、13
°
、15
°
、18
°
、20
°
、23
°
、25
°
、28
°
或30
°
等。
[0014]优选地，所述宏观有序的孔洞结构的平面面积总和为所述三维多孔MAX相的同一平面的面积的45～80％，例如45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％或80％等。
[0015]优选地，所述宏观有序的孔洞结构的孔隙率为75～90％，例如75％、80％、85％或90％等。
[0016]本专利技术中，宏观有序的孔洞结构的平面面积总和与孔隙率相互配合，协同作用，共同影响了机械强度。
[0017]优选地，所述三维多孔自支撑电极基底的压缩强度为1.72
±
0.47～7.02
±
0.13MPa，例如。
[0018]优选地，所述三维多孔MAX相中的MAX材料包括Ti3AlC2、Ti2AlC或Ti3AlN2中的任意一种或至少两种的组合，优选为Ti3AlC2。
[0019]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的三维多孔自支撑电极基底的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0020]将MAX相陶瓷粉末、粘结剂和溶剂混合，得到混合浆料，将3D打印模板浸渍于所述混合浆料中，脱脂反应，得到所述三维多孔自支撑电极基底。
[0021]本专利技术中，通过3D打印技术与模板法相结合，得到了同时具有宏观孔隙和微观孔隙，宏观孔隙有序且可控的多级孔结构，同时，脱脂反应后，模板在无氧环境下热解，原位引入复相增强相玻璃碳，玻璃碳具有良好的导电性和化学稳定性，在不影响MAX相多孔结构导电性的前提下，既可以增强其机械性能，同时还可以改善其在酸性溶液中的化学稳定性，最终得到了具有高交联度和高连通性，且压缩强度高，结构更为稳定的基底。
[0022]本专利技术中，如果选用其他模板，如传统泡沫模板法，具有较差的机械性能，同时，该方法还存在无法实现孔结构及尺寸的个性化设计制造等问题，完全无法得到本申请中的高强度多孔MAX相基底。
[0023]优选地，所述MAX相陶瓷粉末的颗粒尺寸为1～10μm，例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。
[0024]优选地，以所述混合浆料中的非MAX相陶瓷粉末的物质的重量总和为100wt％计，所述粘结剂的重量占比为25～50wt％，例如25wt％、30wt％、35wt％、40wt％、45wt％或
50wt％等。
[0025]优选地，以所述混合浆料中的非MAX相陶瓷粉末的物质的重量总和为100wt％计，所述溶剂的重量占比为49～74wt％，例如49wt％、50wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％或74wt％等。
[0026]优选地，所述粘结剂包括酚醛树脂。
[0027]优选地，所述溶剂包括乙醇。
[0028]优选地，所述混合浆料还包括分散剂。
[0029]优选地，所述分散剂包括羧甲基纤维素和/或聚乙二醇。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种三维多孔自支撑电极基底，其特征在于，所述三维多孔自支撑电极基底包括三维多孔MAX相和复合于所述三维多孔MAX相中的玻璃碳；所述三维多孔MAX相中的孔洞结构宏观有序且微观无序；所述宏观有序的孔洞结构为通孔结构。2.根据权利要求1所述的三维多孔自支撑电极基底，其特征在于，所述通孔结构中的径向分布的偏转角为0～30
°
；优选地，所述宏观有序的孔洞结构的平面面积总和为所述三维多孔MAX相的同一平面的面积的45～80％；优选地，所述宏观有序的孔洞结构的孔隙率为75～90％。3.根据权利要求1或2所述的三维多孔自支撑电极基底，其特征在于，所述三维多孔自支撑电极基底的压缩强度为1.72
±
0.47～7.02
±
0.13MPa；优选地，所述三维多孔MAX相中的MAX材料包括Ti3AlC2、Ti2AlC或Ti3AlN2中的任意一种或至少两种的组合，优选为Ti3AlC2。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述的三维多孔自支撑电极基底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：将MAX相陶瓷粉末、粘结剂和溶剂混合，得到混合浆料，将3D打印模板浸渍于所述混合浆料中，脱脂反应，得到所述三维多孔自支撑电极基底。5.根据权利要求4所述的三维多孔自支撑电极基底的制备方法，其特征在于，所述MAX相陶瓷粉末的颗粒尺寸为1～10μm；优选地，以所述混合浆料中的非MAX相陶瓷粉末的物质的重量总和为100wt％计，所述粘结剂的重量占比为25～50wt％；优选地，以所述混合浆料中的非MAX相陶瓷粉末的物质的重量总和为100wt％计，所述溶剂的重量占比为49～74wt％；优选地，所述粘结剂包括酚醛树脂；优选地，所述溶剂包括乙醇；优选地，所述混合浆料还包括分散剂；优选地，所述分散剂包括羧甲基纤维素和/或聚乙二醇。6.根据权利要求4或5所述的三维多孔自支撑电极基底的制备方法，其特征在于，所述3D打印模板的制备方法包括：将模板基材采用FDM
‑
3D打印方法进行打印处理，得到3D打印模板；优选地，所述模...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵国瑞，田莉，王恩哥，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：
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