一种电催化水分解自支撑电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电催化水分解自支撑电极及制备方法，包括：设计针状或开孔泡沫状的自支撑电极；将Ni粉末和Mo粉末进行球磨混合，得到适合于3D打印的混合粉末；将混合粉末置入3D打印设备，并将所设计的自支撑电极的图形数据传入3D打印设备，3D打印设备对数据进行处理，制备所需结构的NiMo自支撑电极；对NiMo自支撑电极进行退火处理、清洗，得到电催化水分解用的HER电极。本发明专利技术制得的NiMo自支撑电极具有高比表面积、高催化活性和高稳定性，有助于实现高性能催化剂的快速制造与大规模工业化应用。化应用。化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种电催化水分解自支撑电极及制备方法


[0001]本专利技术涉及电催化水分解
，具体涉及一种电催化水分解自支撑电极及制备方法。

技术介绍

[0002]氢能作为一种高能量密度且可再生的“零碳”清洁资源，在解决能源与环境问题上具有巨大优势。电催化水分解制氢是最理想的绿色制氢方式，然而能源效率低(61％
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82％)和成本高(4.78
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5.48美元/千克，碱性水电解)是制约其大规模工业应用的瓶颈。因此，开发高活性、高稳定性、低成本的催化剂是电解水制氢领域的关键问题。
[0003]电解水制氢过程包括阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应过程。HER过程涉及双电子转移过程，而OER过程涉及四电子质子耦合过程，两个过程均需要较高的活化能垒。高效催化剂是降低活化能垒提高能量的关键，其可以作为电极本身，或修饰在电极表面。贵金属Pt和Pd具有最佳HER本征活性，Ir具有最佳OER本征活性，但是贵金属的稀缺性和昂贵性阻碍了水电解技术的大规模应用。过渡金属催化剂具有价格低廉、储量丰富、稳定性好的特点。研究人员发现，对过渡金属进行合金化，调控其活性位点对中间体的吸附强度，有望获得催化活性可媲美贵金属的廉价金属催化剂。在二元过渡金属合金中，NiMo催化剂具有最高的催化活性；在电流密度为10mA/cm2时，NiMo催化剂作为HER电极时的过电势小于50mA，与Pt相当；并且，NiMo催化剂的电化学活性表面积较大时更易获得低过电势与高稳定性；因此，构建具有大比表面积的三维多孔电极，是增加活化面积区域与暴露活性位点最为有效的方法。传统的多孔结构合成方法，如电沉积法、动态模板法、多步脱合金法等，孔径范围有限且狭窄、孔隙连通性模糊等缺点限制了其催化性能。因此，亟需寻找一种先进制造技术来构筑多孔三维电极。
[0004]3D打印技术是一种几何自由度高、精细结构可设计且易于操作的尖端制造技术，也是工业4.0的支柱之一。金属3D打印技术在高几何复杂度和高分辨率的样件制造方面具有巨大优势，已被广泛应用于航空航天、电子信息等领域。传统催化剂颗粒或粉末需要涂覆在载体材料上，催化剂涂层容易发生脱落；而采用3D打印技术制备具有可控拓结构的二元过渡金属合金自支撑电极，无需涂覆，能高度分散甚至完全暴露活性位点，所形成3D网络加快质热传递和电子传递效率。因此，采用3D打印技术制备NiMo自支撑电极，能够突破结构限制，提升电极的比表面积，进而增加化学活性面积，有望大幅提升催化活性与稳定性。
[0005]中国专利技术专利CN106891007A公开了一种通孔结构金属材料的制备方法，采用紫外线扫描每层截面的金属粉末，在辅以热处理、脱脂和烧结，获得多孔材料样件。中国专利技术专利CN110240484B公开了一种采用光固化树脂打印陶瓷载体后搭载催化剂的方法。上述专利在制备多孔陶瓷/金属方面进行了尝试，但是电极结构为简单的通孔结构，未与催化性能结合进行电极结构的设计优化，因此对于催化剂效率和稳定性提高有限。
[0006]采用3D打印技术制备自支撑电极，充分利用3D打印技术的设计自由度与结构灵活性，突破传统机加工方法对于电极结构的限制，制备具有大比表面积、高传质性能的自支撑
电极，使活性位点与反应物充分接触进而提高催化效率。因此，本专利技术旨在实现一种适用于3D打印技术、宏微结构相结合且可调控、具备高比表面积、可显著提高催化剂效率和稳定性的二元过渡金属合金自支撑电极的制备。

技术实现思路

[0007]针对过渡金属催化剂本征催化活性低，且常规粉末催化剂易团聚、电化学活性面积小，导致粉末状过渡金属催化剂催化性能低的问题，本专利技术提供一种基于3D打印的电催化水分解自支撑电极及制备方法，该电极为具有高比表面积、高催化活性和高稳定性的二元过渡金属NiMo合金结构化自支撑电极，有助于实现高性能催化剂的快速制造与大规模工业化应用。
[0008]本专利技术公开了一种电催化水分解自支撑电极的制备方法，包括：
[0009]步骤1、设计自支撑电极的结构；其中，所述自支撑电极的结构包括针状和开孔泡沫状中的一种；
[0010]步骤2、将Ni粉末和Mo粉末进行球磨混合，得到适合于3D打印的混合粉末；
[0011]步骤3、将混合粉末置入3D打印设备，并将所设计的自支撑电极的图形数据传入3D打印设备，3D打印设备对数据进行处理，制备所需结构的NiMo自支撑电极；
[0012]步骤4、对NiMo自支撑电极进行退火处理；
[0013]步骤5、退火处理后用去离子水反复清洗，得到电催化水分解用的HER电极。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤1中，采用Solidworks设计自支撑电极的结构。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤1中，针状自支撑电极包括多个针状单元，每个针状单元为一个空心圆台，空心圆台的高度以及上下底面直径为毫米量级，空心圆台的壁面设有多个与圆台空腔相连通的微孔，微孔孔径为200μm
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500μm。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤1中，开孔泡沫状自支撑电极包括泡沫电极体和形成在泡沫电极体内且互相连通的多个泡孔，泡孔孔径为0.5mm
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3mm。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤2中，Ni粉末为纯Ni球形粉末，粒径分布为15μm
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53μm；Mo粉末为纯Mo球形粉末，粒径分布为15μm
‑
53μm。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤2中，按重量百分数计，Ni粉末为50wt％
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90wt％，Mo粉末10wt％
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50wt％。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤2中，球磨时间为10h
‑
20h。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤3中，3D打印参数为：激光功率为110W
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195W，扫描速度为300mm/s
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700mm/s，粉末层厚度为20μm
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40μm。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，在所述步骤4中，退火温度在350℃
‑
800℃，退火时间为1h
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4h。
[0022]本专利技术还提供一种电催化水分解自支撑电极，所述电催化水分解自支撑电极由上述制备方法制得而成。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0024]1.本专利技术制备的两种结构的自支撑电极对于水分解过程均有促进作用：针状结构具有极小的气泡滚动角和优越的亲水性，得以实现水分解过程中电解液的充分接触并快速
排出所生成气体；开孔泡沫结构具有高孔隙率，且对流体流动的阻力较低，有助于物质传输；
[0025]2.本专利技术制备的自支撑电极相比传统粉末催化剂具有更高的比表面积，可以突破400m2/g的比表面积，而现有过渡金属粉末催化剂比表面积通常为200m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化水分解自支撑电极的制备方法，其特征在于，包括：步骤1、设计自支撑电极的结构；其中，所述自支撑电极的结构包括针状和开孔泡沫状中的一种；步骤2、将Ni粉末和Mo粉末进行球磨混合，得到适合于3D打印的混合粉末；步骤3、将混合粉末置入3D打印设备，并将所设计的自支撑电极的图形数据传入3D打印设备，3D打印设备对数据进行处理，制备所需结构的NiMo自支撑电极；步骤4、对NiMo自支撑电极进行退火处理；步骤5、退火处理后用去离子水反复清洗，得到电催化水分解用的HER电极。2.如权利要求1所述的电催化水分解自支撑电极的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，采用Solidworks设计自支撑电极的结构。3.如权利要求1所述的电催化水分解自支撑电极的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，针状自支撑电极包括多个针状单元，每个针状单元为一个空心圆台，空心圆台的高度以及上下底面直径为毫米量级，空心圆台的壁面设有多个与圆台空腔相连通的微孔，微孔孔径为200μm
‑
500μm。4.如权利要求1所述的电催化水分解自支撑电极的制备方法，其特征在于，在所述步骤1中，开孔泡沫状自支撑电极包括泡沫电极体和形成在泡沫电极体内且互相连通的多个泡孔，泡孔孔径为0.5mm
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3mm。5.如权利要求1所述的电催化水分解自支撑电极的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫岸如，王智勇，王肖博，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：