一种具有分级结构的氢氧化镍/镍/石墨烯复合析氢电极的制备方法技术

一种具有分级结构的Ni(OH)2/Ni/rGO复合析氢电极的制备方法，其主要步骤包括：首先将经过超声和酸化处理的泡沫镍基底作为电沉积阴极，通过超重力电沉积的方法制备出具有较大表面积的Ni/rGO复合析氢电极。然后采用水热法使Ni/rGO电极表面的金属Ni颗粒和尿素、氯化铵、氟化铵中的一种反应，以Ni颗粒作为镍源，在Ni颗粒表面原位垂直生长一层Ni(OH)2纳米片；最终得到的析氢电极具有三级结构即一级结构为泡沫镍基底，二级结构为石墨烯片材负载纳米镍颗粒，三级结构为Ni(OH)2纳米薄片的Ni(OH)2/Ni/rGO复合镀层。本发明专利技术制备的复合电极具有独特的分级结构、大的比表面积和优异稳定的析氢性能。

A hierarchical structure of nickel hydroxide / nickel / graphite composite hydrogen electrode preparation method

A hierarchical structure of Ni (OH) method for preparation of 2/Ni/rGO composite hydrogen electrode, which comprises the following steps: firstly after ultrasonic and acid treatment of nickel foam substrate as cathode by electrodeposition method, high gravity deposition to prepare Ni/rGO composite electrode for hydrogen evolution with larger surface area. Then by hydrothermal method, make a reaction on the Ni/rGO electrode metal particles and Ni urea, ammonium chloride, ammonium fluoride, with Ni particles as the source of nickel, on the surface of Ni particles in situ vertical growth of a layer of Ni (OH) 2 nanosheets; hydrogen evolution electrode obtained with three levels of structure level the structure of nickel foam substrate, two level structure of graphene sheet supported nano nickel particles, the three level structure of Ni (OH) 2 (OH) Ni nanosheets of 2/Ni/rGO composite coating. The composite electrode prepared by the invention has a unique hierarchical structure, a large specific surface area and an excellent stable hydrogen evolution performance.

【技术实现步骤摘要】
一种具有分级结构的氢氧化镍/镍/石墨烯复合析氢电极的制备方法
本专利技术属于电解制氢
，特别涉及一种析氢电极的制备方法。技术背景现如今，能源的发展及环境问题已经受到全世界、全人类的共同关注，特别是在煤炭、石油以及其他众多不可再生资源匮乏的今天。化石能源制品的消耗，带来了严重的环境污染和温室效应，人们近期关注的PM2.5也主要来自日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程，这也是化石能源带来的一些环境问题。面对能源需求量日益增加和能源储量日益枯竭的矛盾，寻找可替代的清洁能源迫在眉睫。氢能被称为21世纪最洁净的能源，具有清洁、高效、可再生等特点，被视作替代化石能源最理想的新型能源。电解水制备氢气操作相对简单，技术相对成熟，产品纯度高，电解过程中无污染，无碳排放。而电解水工业存在能耗较高的问题，造成电能消耗大的主要原因是电解电极的析氢过电位过高，因此研究能够有效降低阴极析氢过电位的新型材料成为了各国科研工作者竞相研究的热门课题。传统的低析氢过电位的电极材料主要有Pt、Pd等贵金属，这些贵金属在地球上储量稀少，价格昂贵，无法实现大规模的推广。镍基电极因其具有制备简单、成本低廉、催化析氢性能优异以及良好的稳定性等优点而被广泛的用作碱性介质电解水析氢阴极材料来降低析氢过电位，减少能耗，例如Ni-S、Ni-Mo、Ni-P、Ni-Co等镍基合金电极和Ni/MoOx、Ni/CeO2等镍基复合电极。但是，镍基电极和Pt等贵金属的析氢性能还是有很大距离，所以制备得到一种高效析氢的镍基催化剂迫在眉睫。
技术实现思路
本专利技术的目的在于研究出一种能够大幅度增加复合电极的比表面积、增强镀层与基底的结合能力、在碱性环境下性能稳定、具有高效催化析氢性能的Ni(OH)2/Ni/rGO(其中rGO表示还原性氧化石墨烯)复合析氢电极的制备方法。本专利技术的析氢电极具有三级结构即一级结构为泡沫镍基底，二级结构为石墨烯片材负载纳米镍颗粒，三级结构为Ni(OH)2纳米薄片的Ni(OH)2/Ni/rGO复合镀层。本专利技术的制备方法如下：(1)泡沫镍基底的预处理电沉积之前，将泡沫镍基底浸入盛有去离子水的烧杯中，超声处理5min；再将泡沫镍放入3MHCl溶液中酸化处理30s，然后用去离子水清洗至中性，吹干备用。(2)超重力电沉积制备Ni/rGO复合电极以蒸馏水作为溶剂，每立升镀液含氨基磺酸镍350g、氯化镍10g、氯化铵30g和氧化石墨烯1.0g，所述镀液pH值为3.8，将复合镀液在150W的超声功率下处理2h，得到均一的、墨绿色的混合溶液。超重力电沉积过程在圆筒形反应器中进行，将步骤(1)处理好的基底固定在圆筒形反应器内壁上作为电沉积阴极，位于圆筒形反应器中心轴的纯镍管作为电沉积阳极，镀液用耐蚀泵在圆筒形反应器和外部的储液槽之间进行循环，超重力场强度G为350g(g为重力加速度)，其与圆筒形反应器的内半径r及其转速N有如下关系式G＝N2π2r/900，超重力场方向垂直于阴极表面，电沉积温度为45℃，电沉积电流密度为3A·dm-2，电沉积时间为60min。制备得到的Ni/rGO复合镀层用去离子水洗涤，在80℃下干燥1h。(3)水热法制备Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极水热法制备Ni(OH)2纳米薄片，氢氧根源为尿素、氯化铵、氟化铵中的一种。用电子天平称取0.1-3.0g尿素/氯化铵/氟化铵溶于50ml去离子水中(尿素/氯化铵/氟化铵浓度为2-60mg·mL-1)，在室温下磁力搅拌10min，形成均匀溶液，然后转移到100mL的聚四氟乙烯内胆中，并将步骤(2)制备的Ni/rGO复合镀层竖直放置于溶液中，密封于6MPa的不锈钢高压反应釜中；在一定合成条件下，即水热反应的温度为100-180℃，水热反应时间为1-12h。然后冷却取出样品；最后将样品用去离子水洗涤，在80℃下干燥1h，得到具有分级结构的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)采用过渡金属氢氧化物和过渡金属各自电解水和催化析氢的特点，制备出一种“过渡金属氢氧化物-过渡金属”类型的新型催化剂，能有效降低析氢的过电位；(2)采用水热法在镍颗粒的基础上原位生长Ni(OH)2纳米片，不需要添加镍源，因此Ni(OH)2纳米片具有良好的稳定性；(3)采用石墨烯作为载体来制备镍基石墨烯复合析氢电极，利用石墨烯表面积大的特点，能有效防止金属团聚现象，制备得到的镍基复合电极具有较高的催化析氢活性；(4)采用具有优良的导电性和耐腐蚀性的三维多孔的泡沫镍作为基底，不但可以增强镀层与基底的结合能力，在碱性环境下性能稳定；而且大大增加了复合电极的比表面积，保证电解液和气体能够畅通无阻的穿过；(5)采用超重力电沉积能够有效促进电沉积过程中因析氢副反应产生的气泡脱离阴极表面，抑制气体对镀层的影响；超重力场对传质过程的强化作用显著提高了阴极的碳含量从而使复合电极的微观组织发生显著变化，析氢性能得到明显的提高。附图说明图1是本专利技术实施例1、实施例2制备的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极和Ni/rGO复合电极的LSV极化曲线图；图2是本专利技术实施例1制备的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极的XRD图；图3是本专利技术所使用的泡沫镍基底的SEM图；图4是本专利技术超重力电沉积法制备的Ni/rGO复合电极的SEM图；图5是本专利技术实施例1制备的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极的SEM图；图6是本专利技术实施例2制备的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极的SEM图；图7是本专利技术实施例3、实施例4、实施例5和实施例6制备的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极的LSV极化曲线图；图8是本专利技术实施例7和实施例8制备的Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极的LSV极化曲线图。具体实施方式实施例1(1)泡沫镍基底的预处理电沉积之前，将泡沫镍基底浸入盛有去离子水的烧杯中，超声处理5min；再将泡沫镍放入3MHCl溶液中酸化处理30s，然后用去离子水清洗至中性，吹干备用。(2)超重力电沉积制备Ni/rGO复合电极以蒸馏水作为溶剂，每立升镀液含氨基磺酸镍350g、氯化镍10g、氯化铵30g和氧化石墨烯1.0g，所述镀液pH值为3.8，将复合镀液在150W的超声功率下处理2h，得到均一的、墨绿色的混合溶液。超重力电沉积过程在圆筒形反应器中进行，将步骤(1)处理好的基底固定在圆筒形反应器内壁上作为电沉积阴极，位于圆筒形反应器中心轴的纯镍管作为电沉积阳极，镀液用耐蚀泵在圆筒形反应器和外部的储液槽之间进行循环，超重力场强度G为350g(g为重力加速度)，其与圆筒形反应器的内半径r及其转速N有如下关系式G＝N2π2r/900，其中N＝2500rpm，r＝10cm，超重力场方向垂直于阴极表面，电沉积温度为45℃，电沉积电流密度为3A·dm-2，电沉积时间为60min。制备得到的Ni/rGO复合镀层用去离子水洗涤，在80℃下干燥1h。(3)水热法制备Ni(OH)2/Ni/rGO复合电极用电子天平称取0.1g尿素溶于50ml去离子水中(尿素浓度为2.0mg·mL-1)，在室温下磁力搅拌10min，形成均匀溶液，然后转移到100mL的聚四氟乙烯内胆中，并将步骤(2)制备的Ni/rGO复合镀层竖直放置于溶液中，密封于6MPa的不锈钢本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有分级结构的Ni(OH)2/Ni/rGO复合析氢电极，其特征在于：本专利技术的析氢电极具有三级结构即一级结构为泡沫镍基底，二级结构为石墨烯片材负载纳米镍颗粒，三级结构为Ni(OH)2纳米薄片的Ni(OH)2/Ni/rGO复合镀层。

【技术特征摘要】
1.一种具有分级结构的Ni(OH)2/Ni/rGO复合析氢电极，其特征在于：本发明的析氢电极具有三级结构即一级结构为泡沫镍基底，二级结构为石墨烯片材负载纳米镍颗粒，三级结构为Ni(OH)2纳米薄片的Ni(OH)2/Ni/rGO复合镀层。2.权利要求1的具有分级结构的Ni(OH)2/Ni/rGO复合析氢电极的制备方法，其特征在于：它包括如下步骤：(1)泡沫镍基底的预处理电沉积之前，将泡沫镍基底浸入盛有去离子水的烧杯中，超声处理5min；再将泡沫镍放入3MHCl溶液中酸化处理30s，然后用去离子水清洗至中性，吹干备用；(2)超重力电沉积制备Ni/rGO复合电极以蒸馏水作为溶剂，每立升镀液含氨基磺酸镍350g、氯化镍10g、氯化铵30g和氧化石墨烯1.0g，所述镀液pH值为3.8，将复合镀液在150W的超声功率下处理2h，得到均一的、墨绿色的混合溶液，超重力电沉积过程在圆筒形反应器中进行，将步骤(1)处理好的基底固定在圆筒形反应器内壁上作为电沉积阴极，位于圆筒形反应器中心轴的纯镍管作为电沉积阳极，镀液用耐蚀泵在圆筒形反应器和外部的储液槽之间进行循环，超重力场强度G为350g...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵光杰，王丽欣，秦秀娟，马志鹏，杜静，张佩佩，白磊，曹磊，李敬梅，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13