一种Ni-Sn-La碱性电解水析氢催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种电解水析氢催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种Ni

【技术实现步骤摘要】
一种Ni
‑
Sn
‑
La碱性电解水析氢催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种电解水析氢催化剂及其制备方法和应用，具体涉及一种Ni
‑
Sn
‑
La碱性电解水析氢催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氢能在各种新型能源中以其能量密度高、可再生、无污染等优势而被认为是未来发展的最佳替代能源。在各种制备氢气的方法中，电解水制氢能从根源上解决化石能源消耗所带来的问题，并且制氢效率较高。析氢催化剂作为氢能发展应用的关键一环，开发高效稳定的析氢电极催化剂具有重大意义。Pt基贵金属催化剂性能优异，但由于其高成本、低丰度而难以大规模应用。因此，非贵金属催化剂的研究成为了电解水制氢的热点和方向。
[0003]Ni等许多过渡金属因其独特的电子结构而具有良好的催化析氢性能。经多年研究，涌现出了Ni
‑
Mo、Ni
‑
Fe、Ni
‑
Sn合金以及过渡金属硫化物、磷化物、硼化物等催化性能较好的非贵金属催化剂。目前公开的技术：如CN110158126A中就有明确记载“对比例Ni
‑
Co
‑
Sn体系(没有Co)析氢过电位185mv，实施例1的Ni
‑
Co
‑
Sn体系，析氢过电位为130mV，提升了55mV”。如专利CN 112626552 A也有明确记载“一种泡沫镍表面电沉积Ni
‑
Fe
‑r/>Sn
‑
P合金的方法，其具体工艺如下：(1)选取泡沫镍基底；(2)泡沫镍基底预处理；(3)电镀液配置；(4)施镀：将电镀液在水浴锅中加热至45
‑
65℃，将处理好的泡沫镍基底放入作为阴极，将含碳量>99.99％高纯度石墨片作为阳极，在40～120mA/cm2条件下进行电镀，电镀时长30～50min，电镀完后将工作电极取出，用去离子水冲洗，在45～50℃下烘干得到Ni
‑
Fe
‑
Sn
‑
P合金。”同时从该专利的图4可以看出其析氢电位仍然偏高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足以及本领域研究和应用的需求，本专利技术的目的是提供一种碱性条件下，析氢电位低的Ni
‑
Sn
‑
La高效析氢电催化剂及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术优选的制备工艺为电沉积工艺，通过调节镀液成分、沉积参数等在镍网上制备出不同形貌及性能的碱性电解水析氢催化剂。
[0006]本专利技术一种Ni
‑
Sn
‑
La碱性电解水析氢催化剂，所述催化剂附着在导电基底上；作为进一步的优选方案，所述催化剂附着在导电基底上并呈凹凸状，并且表面附着部分类球形颗粒；作为更进一步的优选方案，所述催化剂紧密堆积在导电基底上并呈现出粗糙的胞状颗粒状。所述催化剂中含有Ni、Sn、La元素，其中Ni的赋存价态包括零价、正二价和/或正三价；Sn的赋存价态包括零价、正二价和/或正四价，La的赋存价态包括零价和/或正三价。
[0007]本专利技术一种Ni
‑
Sn
‑
La碱性电解水析氢催化剂，所述导电基底优选为镍网，
[0008]本专利技术一种Ni
‑
Sn
‑
La碱性电解水析氢催化剂，催化剂中Ni、Sn、La的摩尔比为75
‑
80：15
‑
25：1.5
‑
3。优选为76
‑
78：18
‑
21：2
‑
2.5、进一步优选为77
‑
77.5：20.5
‑
20.8：2.1
‑
2.3。
[0009]本专利技术一种Ni
‑
Sn
‑
La碱性电解水析氢催化剂，Ni、Sn、La元素均匀分布在电极表面。
NaOH、18～22g/L Na2SiO3、8～12g/L Na2CO3和35～45g/L Na3PO4，优选为5g/L NaOH、20g/L Na2SiO3、10g/LNa2CO3和40g/L Na3PO4；
[0026]电沉积完成后，取下催化剂电极，经去离子水冲洗干净后，在60℃下干燥6h。
[0027]本专利技术一种Ni
‑
Sn
‑
La高效析氢电催化剂的应用；所述催化剂用于碱性电解水等

[0028]研究发现：Sn的析氢过电位虽然较大，但Ni、Sn合金化后，能增加电极的比表面积和活性位点，提高了析氢效率，同时也能降低了Ni
‑
H吸附键的强度，加快了电荷的转移和H的脱附，这种协同催化作用有效提升析氢性能。La等稀土金属元素具有较空的d、f层轨道，可与具有未成对的d电子的Ni等过渡金属在催化析氢过程中产生协同效应，加快电荷的转移，优化活性H原子的吸附和脱附过程，从而有效提升析氢活性。另外，由于La的原子半径较大，进入Ni晶格中会造成晶格畸变，影响其形核和生长，使其朝非晶态发展，而非晶态结构有利于降低析氢反应势垒，并提供更多的催化活性位点。
[0029]本专利技术通过适当的电沉积液以及电沉积参数将催化活性物质直接沉积在基底上而制备的自支撑电极，不仅操作简便易控，而且能降低催化活性物质与基底间的接触电阻，提升导电性，并增强电极的长效稳定性。而在基底的选择上，镍网具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，能更好的应用于实际的工业电解水领域。因此，以镍网为基底，通过恒流电沉积法制备Ni
‑
Sn
‑
La催化剂，从而为析氢电催化剂的发展提供一种新方案。
[0030]原理和优势
[0031]本专利技术首次设计并制备出了Ni
‑
Sn
‑
La高效析氢电催化剂；其在室温下具备高效催化析氢性能。该电催化剂经优化后，在25℃，1mol/L的KOH电解液中，所得电极在10mA
·
cm
‑2的电流密度下过电位为51mV，较Ni
‑
Sn、Ni
‑
La电催化剂过电位降低了50.0％、61.9％。
[0032]本专利技术所设计和制备的催化剂可不含粘结剂，通过电沉积而得的自支撑电极；经循环伏安法5000圈以及在10mA
·
cm
‑2和50mA
·
cm
‑2的恒电流密度下电解72h后，产品的析氢性能依然稳定。
[0033]总之；本专利技术所设计和制备的无粘结剂Ni
‑
Sn
‑
La析氢电催化剂在室温下表现出较低的过电位和良好的稳定性。该催化剂具有的良好催化析氢性能一方面归因于La的引入，加强了同Ni、Sn之间的协同催化效应，优化了活性H原子的吸附和脱附过程，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
NaOH、18～22g/L Na2SiO3、8～12g/L Na2CO3和35～45g/L Na3PO4，优选为5g/L NaOH、20g/L Na2SiO3、10g/L Na2CO3和40g/L Na3PO
4。
9.根据权利要求5所述的一种Ni
‑
Sn
‑
La...

【专利技术属性】
技术研发人员：何捍卫，阳刚，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：