一种碱性电解水制氢电极的制备方法及其制氢电极与流程

1.本发明属于制氢电极技术领域，具体涉及一种碱性电解水制氢电极的制备方法及其制氢电极。


背景技术：

2.在全球能源结构向清洁化和低碳化转型的背景下，氢能已被视为最清洁和最有前途的能源，在未来的能源格局构成中扮演重要角色。依据氢气的来源可将其分为灰氢(化石燃料制氢)、蓝氢(碳捕捉与碳封存制氢)以及绿氢(可再生能源水电解制氢)，碱性电解水制氢是技术最成熟、使用量最大、单槽能力最强的绿氢技术。根据目前碱性电解水制氢技术发展状况，实际应用中制氢电极除了具备高导电性之外还需要具有高表面积、较高的析氧催化活性、良好的机械加工性能和化学稳定性。金属材料制备的制氢电极具有优异的电化学活性，目前碱性电解水制氢电极常用简单的镍丝网或热喷涂处理镍丝网，但由于镍网比表面积低，析氢催化活性较低，电解水制氢电化学反应阳极化和阴极化都非常高，电解小室电压高，在制氢过程中导致大量的电能都以热量的形式转变，而没有参加电化学反应；另一种常见的制氢电极采用raney镍为基材，这种电极虽然具有高比表面积、高电化学活性的优点，但机械强度差，结构松弛，易脱落，且raney镍的电极抗逆电流氧化能力较差，因此希望能设计一种兼具较好机械性能、高比表面积和高电化学活性的析氢电极。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碱性电解水制氢电极的制备方法及其制氢电极，使其能同时具有较好机械性能、高比表面积、高电化学活性的优点。
4.本发明提供碱性电解水制氢电极的制备方法如下，所述方法包括以下步骤：
5.s1、获取线状导电基体并对该线状导电基体表面进行预处理，使得线状导电基体表面具有电化学催化作用的催化层，进而形成催化基元材料；
6.s2、基于若干所述催化基元材料并通过交织方式制得碱性电解水制氢电极。
7.进一步的，线状导电基体的线径为0.025-8mm，优选0.04-1mm。
8.进一步的，所述线状导电基体选自金属、合金或非金属导电材料中的一种。
9.进一步的，所述金属为镍、铂、钯、钴、铜、铁中的一种；所述合金为镍、铂、钯、钴、铜、铁为基础的合金；所述非金属导电材料导电陶瓷、石墨烯中的一种。
10.进一步的，所述步骤s1中预处理为电镀、化学镀、热喷涂、等离子喷涂、化学刻蚀、电泳-电沉积、化学沉积-焙烧中的至少一种。
11.进一步的，所述步骤s1中采用电镀对线状导电基体表面进行预处理时，电镀使用的电镀液为均匀混合超细粉末的镍盐溶液，所述催化层为镍和具有电化学催化作用的超细粉末的复合镀层，所述复合镀层由电镀附着镍层和超细粉末共同沉积而成。
12.进一步的，所述电镀使用的电镀液为均匀混合超细镍粉的镍盐溶液，所述催化层为复合镍层，所述复合镍层由电镀附着镍层和超细镍粉共同沉积而成。
13.进一步的，所述复合镍层厚度为20-100μm。
14.进一步的，所述交织方式为编织，所述制氢电极为网状。
15.本发明还提供了一种碱性电解水制氢电极，其根据上述所述的碱性电解水制氢电极的制备方法制备而成。
16.本发明具有以下有益效果：
17.本发明所提供的碱性电解水制氢电极的制备方法所制备的制氢电极是一种兼具高比表面积、高电化学活性和良好机械加工性能的制氢电极。该方法首先获取线状导电基体并对其表面进行预处理，以在其表面形成具有电化学催化作用的催化层并形成催化基元材料，该催化基元材料具有支撑强度大、高比表面积、高催化活性的特点，然后基于若干催化基元材料交织制得制氢电极，由于催化基元材料具有高比表面积，网状制氢电极中的催化层呈三维结构利于氢气泡扩散且为碱性电解水反应提供了更多的反应场所，因此，本发明制备得到的碱性电解水制氢电极比纯金属镍网制氢电极呈现更好的催化效果与电化学活性，且比raney镍制得的制氢电极质地致密，具有更好的机械强度，在碱性水电解制氢过程中，不易变形，不易脱落，具有更长的使用寿命。
附图说明
18.图1是本发明一种碱性电解水制氢电极的制备方法流程图，
19.图2是本发明一实施例中催化基元材料横截面示意图，
20.图3是本发明一实施例中催化基元材料纵截面示意图。
21.图4是本发明一实施例中电极1和对比电极的表观形貌图
22.附图标记说明：
23.1.线状导电基体，2.镀镍层，3.超细镍粉。
具体实施方式
24.为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
25.本发明一种碱性电解水制氢电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：
26.s1、获取线状导电基体1并对该线状导电基体1表面进行预处理，使得线状导电基体表面1附着一层具有电化学催化作用的催化层，进而形成催化基元材料；
27.s2、基于若干所述催化基元材料并通过交织方式制得碱性电解水制氢电极。
28.可选择以下实施方式：
29.对线状导电基体1的预处理方式选择电镀的方法，选择不同成分的电镀液，在线状导电基体1表面得到不同形式的催化层如纯金属层、二元合金层、三元合金层、金属/超细颗粒复合层、合金/超细颗粒复合层等，如选择硫酸镍为电镀液可在线状导电基体1表面得到纯ni层为催化层；如选择硫酸铜为电镀液可在线状导电基体1表面得到纯cu层为催化层；选择硫酸铜、硫酸镍制成的电镀液可在线状导电基体1表面得到ni-cu二元合金共沉积催化层；电镀液中添加各种超细颗粒可制成超细颗粒混合电镀液，可选用有各种氧化物如二氧化钛、二氧化锆等，各种碳化物如碳化硅、碳化钛等或金属粉末如镍、铜等中的一种超细颗
粒添加到含有硫酸镍的电镀液中可在线状导电基体1表面复合电镀得到成分分别为tio
2-ni、sic-ni或超细镍粉-ni的复合催化层等等；
30.作为本实施方式的实施例1，电镀液选择硫酸镍、氯化镍和硫酸铜为主盐，调整合适的主盐浓度、电镀液ph值、温度与电流密度，在线状导电基体1表面电镀得到二元ni-cu合金共沉积催化层；
31.作为本实施方式的实施例2，将超细镍粉混合到镍盐制成的电镀液中，在直流电的作用下，电镀液中的镍离子还原沉积在线状导电基体1上形成镀镍层2，在此过程中，超细镍粉3共沉积在线状导电基体1的表面，得到了镀镍层2和超细镍粉3形成的复合镍层，随着电镀时间的延长，镀镍层2逐渐增厚，超细镍粉3固定在镀镍层2中形成三维结构，最终超细镍粉3和镀镍层2组成复合镍层附着在线状导电基体1表面形成复合催化层，线状导电基体经过上述预处理过程制成制氢电极的催化基元材料，然后基于若干所述催化基元材料并通过交织方式制得碱性电解水制氢电极；
32.作为本实施例的优选，上述镀镍层2厚度在20-100μm但不限于其他镀镍层厚度；
33.交织方式可采用编织的方式，制得的碱性电解水制氢电极为网状；
34.将实施例1、实施例2所述制备方法制得的析氢电极记为电极1、电极2，工业常用纯金属镍网制得的析氢电极记为对比电极，采用以下方法测试电极1、电极2和对比电极的机械强度、催化效率和使用寿命：
35.机械强度测试：将本实施例与对比例切成尺寸为200
×
200mm的正方形，采用常规拉力机，标距设置为100mm，拉速设置为300mm/min，记录样品拉伸断裂时的强度。
36.催化效率测试：将本实施例与对比例切成直径为20mm圆片，以koh为电解液，采用三电极，以电化学工作站进行i/v测试，电流密度设定为100a/dm2，电位越低，代表催化性能越好。
37.使用寿命测试：将本实施例与对比例切成直径为20mm圆片，以koh为电解液，采用三电极，以电化学工作站进行i/v测试，电流密度设定为100a/dm2，检测电位开始升高的时间，电极催化中心正常工作时，电位是恒定的，电极失效后，催化电位会线性升高，记录在原始恒电位的基础上开始升高的时间，则为电极使用寿命。
38.表1是电极1、电极2和对比电极机械强度、催化效率和使用寿命测试结果。
39.表1
40.项目电极1电极2对比电极机械强度(mpa)350348302催化性能(mv)1.351.331.45使用寿命(h)555645
41.图4是电极1和对比电极的表观形貌图，从图中可以看出，实施例1制备的电极1(a)相比与工业上常用的金属镍网制得的对比电极(b)而言，催化中心更均匀，具有更优良的催化效果。
42.还可以采取以下实施方式：
43.碱性电解水制氢电极的制备方法中预处理方式选择化学镀，将不同材质的线状导电基体1浸入到含有还原剂的溶液中，溶液中的金属离子还原为金属并沉积在线状导电基体1表面形成了具有催化作用的化学镀层。选择不同成分的主盐溶液，可以在线状导电基体
1表面得到相应的化学镀层作为催化层，如纯金属ni层、合金ni-cu层、合金ni-cr、复合超细颗粒tio
2-ni层等等，线状导电基体1表面经过化学镀形成催化层制成制氢电极的催化基元材料，将催化基元材料交织成网状结构制得碱性电解水制氢电极；
44.实施方式还有以下选择：
45.选择任一导电材料为线状导电基体1的原料，采取热喷涂、等离子喷涂等方式对线状导电基体1进行预处理，使得线状导电基体1表面形成催化层；如等离子喷涂选择镍铝混合粉，可在线状导电基体1表面形成ni-al催化层；随着预处理方式的不同，选择相适应的催化介质，将催化介质附着在线状导电基体1的表面形成催化层，线状导电基体1经过预处理得到催化基元材料，将催化基元材料交织成网状结构制得制氢电极。采取化学刻蚀的方式为预处理手段时，优选线状导电基体1的材质为导电陶瓷，将导电陶瓷置于酸性溶液中进行蚀刻使得导电陶瓷表面逐渐粗糙增大了导电陶瓷的比表面积在导电陶瓷的表面形成了具有电化学催化活性的催化层，再将该催化基元材料交织成网状结构制得碱性电解水制氢电极；
46.除此之外，实施方式还可以选择化学刻蚀、电泳-电沉积或化学沉积-焙烧对线状导电基体进行预处理；
47.进一步的，以上电镀、化学镀、热喷涂、等离子喷涂、化学刻蚀、电泳-电沉积、化学沉积-焙烧各预处理方式可进行择一或任意组合选择；使得预处理步骤不限于使用其他催化材料或不使用催化材料在导电基体上直接建立表面催化层形成电解水反应场所。
48.本发明还提供了一种碱性电解水制氢电极，该制氢电极由上述技术方案所述的碱性电解水制氢电极的制备方法制备而成。
49.本发明所提供的制氢电极先对获取的线状导电基体1表面进行预处理，在线状导电基体1的表面形成具有电化学催化作用的催化层并制成催化基元材料，然后将若干催化基元材料通过交织的方式制得碱性电解水制氢电极；基于上述碱性电解水制氢电极的制备方法描述，该制氢电极同样兼具有较好机械性能、高比表面积和高电化学活性的优点。
50.以上对本发明所提供的一种碱性电解水制氢电极的制备方法及其制氢电极进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：s1、获取线状导电基体并对该线状导电基体表面进行预处理，使得线状导电基体表面形成具有电化学催化作用的催化层，进而形成催化基元材料；s2、基于若干所述催化基元材料并通过交织方式制得碱性电解水制氢电极。2.如权利要求1所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：线状导电基体的线径为0.025-8mm，优选0.04-1mm。3.如权利要求1所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述线状导电基体选自金属、合金或非金属导电材料中的一种。4.如权利要求3所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述金属为镍、铂、钯、钴、铜、铁中的一种；所述合金为镍、铂、钯、钴、铜、铁为基础的合金；所述非金属导电材料为导电陶瓷、石墨烯中的一种。5.如权利要求1所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中预处理为电镀、化学镀、热喷涂、等离子喷涂、化学刻蚀、电泳-电沉积、化学沉积-焙烧中的至少一种。6.如权利要求5所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中采用电镀对线状导电基体表面进行预处理时，电镀使用的电镀液为均匀混合超细粉末的镍盐溶液，所述催化层为镍和具有电化学催化作用的超细粉末的复合镀层，所述复合镀层由电镀附着镍层和超细粉末共同沉积而成。7.如权利要求6所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述电镀使用的电镀液为均匀混合超细镍粉的镍盐溶液，所述催化层为复合镍层，所述复合镍层由电镀附着镍层和超细镍粉共同沉积而成。8.如权利要求7所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述复合镍层厚度为20-100μm。9.如权利要求1所述的碱性电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述交织方式为编织，所述碱性电解水制氢电极为网状。10.一种碱性电解水制氢电极，其特征在于：其根据权利要求1-9任一项所述的碱性电解水制氢电极的制备方法制备而成。

技术总结
本发明具体公开了一种碱性电解水制氢电极的制备方法及其制氢电极，所述方法包括以下步骤：S1、获取线状导电基体并对该线状导电基体表面进行预处理，使得线状导电基体表面附着一层具有电化学催化作用的催化层，进而形成催化基元材料；S2、基于若干所述催化基元材料并通过交织方式制得的碱性电解水制氢电极。本发明首先将线状导电基体进行预处理制成具有优良催化能力的催化基元材料，然后通过交织方式将若干个催化剂基元材料制成的碱性电解水制氢电极，由于预处理过程中线状导电基体表面能够形成一层具有电化学催化作用的催化层，进而大大提高了制氢电极的电化学反应的活性，有效降低电化学反应极化，提高电解水反应效率。提高电解水反应效率。提高电解水反应效率。


技术研发人员：谢红雨 陈红辉 廖丽军 陈景亮
受保护的技术使用者：常德重塑澎湃新材料科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/14