一种碱性电解槽用镍基复合电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碱性电解槽用镍基复合电极及其制备方法，首先，将镍基体置于铵液中进行电化学刻蚀；然后，将处理后的镍基体置于镍基合金催化剂前驱体水溶液中，在电化学条件下沉积镍基合金催化剂；然后，进行煅烧处理，最终形成镍基复合电极。与现有技术相比，本发明专利技术方法可对镍基体表面粗糙度灵活调控，且没有氢气生成，温和有效，进一步通过电沉积方法，可实现催化剂在基体上的均匀、牢固负载，简单有效，易于产业化，通过本发明专利技术方法制得的镍基合金复合电极展现出优异的析氢/析氧催化活性和稳定性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种碱性电解槽用镍基复合电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电解制氢
，具体涉及一种碱性电解槽用镍基复合电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢能源具有高能量密度、零碳排放的特点，被认为是一种理想的高效绿色二次能源。通过以风能、光伏为代表的可再生能源发电耦合电解水制氢技术，可实现氢气的绿色规模化制取，可发挥其绿色能源的特点，实现“制
‑
储
‑
运
‑
用”氢能源全产业链的脱碳，被认为是我国实现双碳战略目标的重要手段，已成为我国能源领域的重要发展方向。因此，开展可再生能源电解水制氢技术研究，符合国家重大战略需求，对于人类社会的可持续发展具有重要意义。
[0003]相比于质子交换膜电解制氢等技术，碱水电解制氢技术具有技术成熟、成本低廉等优势，已实现了商业化，是目前电解制氢产业化的主流技术。镍基电极是碱水电解槽的核心部件，它决定了水电解过程中析氢/析氧反应动力学，对于电解槽性能具有重要影响。电极性能的提升可通过调控镍网基体微结构、负载高性能催化剂等方法实现。为实现电解槽的长时间高效稳定运行，电极需要具有如下特征：(1)电极基体负载催化剂后，具有充足的催化活性位点和电化学活性面积，以提升析氢/析氧反应动力学速率；(2)催化层具有合适的孔道微结构，以提升气泡脱出动力学速率；(3)催化层和电极基体之间具有牢固的结合力，避免长时间运行过程中，催化层脱落。因此，催化剂负载电极(即复合电极)的制备方法对于电极性能的提升至关重要。
[0004]通过增加电极基体表面粗糙度，可提升催化剂负载的均匀性和牢固性。中国专利技术专利CN106498434A公开了一种弱酸化学刻蚀镍基体的方法，通过控制草酸、柠檬酸之类弱酸和溶液的配比、反应温度和反应时间，对泡沫镍基体表面进行化学刻蚀，可形成不同缺陷和比表面积的开放结构。中国专利技术专利CN114277396A和CN114318398A发别公开了硫酸、盐酸之类强酸环境下电化学刻蚀镍基体以增加表面粗糙度的方法。
[0005]综上分析，目前增加镍电极基体表面粗糙度主要通过水热条件或电化学条件下的酸刻蚀方法实现，该过程中金属镍与酸反应产生氢气，氢气作为一种易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限范围宽(4％～75.6％)，这对工业上大面积电极高效制备的工艺管控和安全性增加了困难。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种碱性电解槽用镍基复合电极及其制备方法。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，首先，将镍基体置于铵液(铵根离子水溶液)中进行电化学刻蚀，利用金属镍与铵根离子的配位络合反应并结合电化学环境，将部分金属镍溶解于铵液中，以增加镍基体表面粗糙度；然后，将处理后的镍基体置于镍基合金催化剂前驱体水溶液中，在电化学条件下
沉积镍基合金催化剂；然后，将负载催化剂后的电极进行煅烧处理，最终形成镍基复合电极。
[0008]本专利技术针对现有酸刻蚀镍电极基体过程中产生氢气，造成工艺管控困难和安全性风险增加的问题，提出了一种新型的碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，相比于现有酸刻蚀法，本专利技术利用金属镍与铵根离子的配位络合反应并结合电化学环境，将部分金属镍溶解于铵液中，从而增加镍基体比表面积，在对镍基体表面粗糙度有效调控的同时，没有氢气等危险产物的生成。
[0009]优选地，所述的铵液为铵根离子水溶液，浓度为0.1
‑
2mol/L，配制铵液所使用的铵化合物包括且不限于氯化铵、硫酸铵、磷酸铵、硝酸铵、碳酸铵、醋酸铵、草酸铵中的一种或几种。
[0010]优选地，所述的电化学刻蚀所用电流密度为5
‑
100mA/cm2，时间为5
‑
60min。
[0011]优选地，所述的催化剂前驱体水溶液含有Ni
2+
，还含有包括且不限于Fe
2+
、Co
2+
、Mn
2+
中的一种或几种。
[0012]进一步优选地，所述的催化剂前驱体水溶液中，Ni
2+
浓度为0.2
‑
1mol/L，其他金属离子浓度为0.02
‑
0.5mol/L。
[0013]优选地，所述的电化学条件下沉积过程所用电流密度为1
‑
500mA/cm2，时间为1
‑
60min。
[0014]优选地，所述的镍基体为镍网或泡沫镍。
[0015]优选地，所述的碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，具体包括以下步骤：
[0016](1)镍基体的表面除杂质处理：将镍基体置于弱酸溶液中进行超声处理以去除表面杂质，然后用去离子水将镍基体冲洗干净，pH值至7
‑
8；
[0017](2)镍基体的刻蚀：采用两电极体系，将处理后的镍基体作为阳极置于一定浓度铵液中进行电化学刻蚀；
[0018](3)镍基合金复合电极的电化学沉积制备：采用两电极体系，将刻蚀后的镍基体作为阴极置于一定浓度的催化剂前驱体水溶液中进行电化学沉积；
[0019](4)复合电极的煅烧处理：将负载催化剂后的电极用去离子水清洗、烘干，然后在保护性气氛下进行烧结处理，最终得到镍基合金复合电极。
[0020]进一步优选地，步骤(1)所述的弱酸溶液包括且不限于柠檬酸、草酸、稀盐酸、稀硫酸中的一种或几种，pH值为1
‑
4；
[0021]步骤(4)所述的煅烧处理，煅烧温度为200
‑
600℃，煅烧时间为0.5
‑
4h。
[0022]进一步优选地，步骤(1)所述的超声处理时间为15
‑
60min。
[0023]一种碱性电解槽用镍基复合电极，采用上述制备方法制得。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0025]1.本专利技术方法可对镍基体表面粗糙度灵活调控，且没有氢气生成，温和有效，进一步通过电沉积方法，可实现催化剂在基体上的均匀、牢固负载，简单有效，易于产业化，通过本专利技术方法制得的镍基合金复合电极展现出优异的析氢/析氧催化活性和稳定性；
[0026]2.本专利技术镍基体比表面积大，刻蚀方法温和有效，相比于现有酸刻蚀法，本专利技术利用金属镍与铵根离子的配位络合反应并结合电化学环境，将部分金属镍溶解于铵液中，从而增加镍基体比表面积，在对镍基体表面粗糙度有效调控的同时，没有氢气等危险产物的
生成；
[0027]3.本专利技术复合电极催化活性高、稳定性好，本专利技术制备方法在有效增加镍基体比表面积后，通过电化学沉积方法，实现催化剂在基体表面的原位生长，通过该方法负载的催化剂均匀，显示出优异的催化活性，与基体结合牢固，有效防止了复合电极在长时间运行过程中催化层脱落的问题，提高了电极的稳定性；
[0028]4.本专利技术方法简单易行，操作安全，易于产业化，采用本专利技术方法制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，其特征在于，首先，将镍基体置于铵液中进行电化学刻蚀；然后，将处理后的镍基体置于镍基合金催化剂前驱体水溶液中，在电化学条件下沉积镍基合金催化剂；然后，将负载催化剂后的电极进行煅烧处理，最终形成镍基复合电极。2.根据权利要求1所述的碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，其特征在于，所述的铵液为铵根离子水溶液，浓度为0.1
‑
2mol/L，配制铵液所使用的铵化合物包括且不限于氯化铵、硫酸铵、磷酸铵、硝酸铵、碳酸铵、醋酸铵、草酸铵中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，其特征在于，所述的电化学刻蚀所用电流密度为5
‑
100mA/cm2，时间为5
‑
60min。4.根据权利要求1所述的碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂前驱体水溶液含有Ni
2+
，还含有包括且不限于Fe
2+
、Co
2+
、Mn
2+
中的一种或几种。5.根据权利要求4所述的碱性电解槽用镍基复合电极的制备方法，其特征在于，所述的催化剂前驱体水溶液中，Ni
2+
浓度为0.2
‑
1mol/L，其他金属离子浓度为0.02
‑
0.5mol/L。6.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿振，张存满，金黎明，吕洪，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：