本发明专利技术涉及一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极及其制备方法，包括以下步骤：(1)镍基体的表面除杂质处理；(2)将处理后的镍基体置于镍前驱体水溶液中进行电沉积；(3)向电沉积后的镍前驱体水溶液中添加镍基合金催化剂前驱体水溶液继续进行电化学沉积；(4)将负载具有梯度组分结构镍基合金催化层的复合电极置于铵液中进行选择性电化学刻蚀；(5)将刻蚀后的电极进行煅烧处理。与现有技术相比，本发明专利技术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，基体比表面积大，与催化层结合牢固；此外，可实现对催化层微结构的有效调控，有效增加了催化层的比表面积，提升了复合电极的催化活性。提升了复合电极的催化活性。提升了复合电极的催化活性。
【技术实现步骤摘要】
一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极及其制备方法
[0001]本专利技术涉及电解制氢
，具体涉及一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极及其制备方法。
技术介绍
[0002]氢能燃料电池汽车因具有零排放、高效率、燃料来源多元化等优势，被认为是未来汽车工业的重要方向，也是我国实现双碳战略目标的重要发展手段。大规模可再生电解水制氢能够有效解决氢能燃料电池产业“氢从哪里来”的难题，具有重大战略意义。在多种电解水制氢技术中，碱水电解制氢技术已实现商业化，是目前电解水制氢产业化的主流技术。
[0003]电极是碱水电解槽的核心组件，对电解槽的动力学性能和能效具有显著影响。目前碱水电解槽所用电极多为喷涂镍网电极，存在电化学活性低、析氢/析氧动力学差等问题。通过在镍网基体表面负载高效催化剂，制备复合电极，有望大幅提升电极性能。复合电极的制备方法直接影响了负载催化层的组分、微结构以及催化层与基体间结合的牢固程度，这对于复合电极的性能具有重要影响。
[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。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。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。
[0005]催化剂的负载方法直接影响催化层的微结构及复合电极的电化学活性面积。中国专利技术专利CN111663152A公开了将镍基体浸泡到一定浓度催化剂前驱体水溶液中，通过自发氧化还原反应以负载催化剂的方法。中国专利技术专利CN113265675A公开了采用喷涂工艺将高熵合金粉末喷涂在电极基板表面的方法。中国专利技术专利CN113862727A公开了将镍基体置于催化剂前驱体水溶剂中，通过电化学沉积负载NiFe或NiCo合金催化剂的方法。中国专利技术专利CN114318398A公开了通过电化学沉积在镍基体表面负载NiCoP合金催化剂的方法。中国专利技术专利CN114293215A公开了一种水热反应结合高温处理以负载催化剂的方法，将镍基体放入催化剂前驱体水溶液中进行水热反应，再将反应产物放置于还原气氛管式炉中高温还原处理，得到催化剂负载电极。
[0006]综上分析，通过上述专利技术专利涉及的方法，催化层与基体的结合力不足，导致复合电极在长时间运行过程中，催化层脱落，此外，催化剂负载后的复合电极微结构不可调控，形成一定厚度催化层的过程中，会伴随形成无定型孔道微结构，并可能形成闭孔，这会降低析氢/析氧过程中产生气泡的脱出动力学速率，从而制约电极性能。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是提供一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极及其制备方法。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)镍基体的表面除杂质处理：弱酸处理，去除表面杂质；
[0010](2)多孔镍层的电化学沉积：将处理后的镍基体置于一定浓度的镍前驱体水溶液中进行电沉积，采用两电极体系，处理后的镍基体作为阴极；
[0011](3)镍基合金催化层的电化学沉积制备：在步骤(2)的基础上，向电沉积后的镍前驱体水溶液中添加镍基合金催化剂前驱体水溶液继续进行电化学沉积；
[0012](4)复合电极的选择性刻蚀：将负载具有梯度组分结构镍基合金催化层的复合电极置于一定浓度铵液中进行选择性电化学刻蚀，采用两电极体系，复合电极作为阳极；
[0013](5)复合电极的煅烧处理：将刻蚀后的电极进行煅烧处理。
[0014]优选地，步骤(1)中，将镍基体置于弱酸溶液中进行超声处理15
‑
60min，以去除表面杂质，所述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；然后用去离子水将镍基体冲洗干净，pH值至7
‑
8；所述镍基体为镍网或泡沫镍。
[0015]优选地，步骤(2)中，所述镍前驱体水溶液中Ni
2+
初始浓度为0.1
‑
0.5mol/L，电化学沉积所用电流密度为5
‑
500mA/cm2，时间为1
‑
20min，在镍基体上原位形成多孔镍层。
[0016]优选地，步骤(3)中，所述电沉积后的镍前驱体水溶液和添加的镍基合金催化剂前驱体水溶液混合后，溶液中含有Ni
2+
和M金属离子，M为不与铵根离子发生配位络合反应的金属元素，M金属离子包括且不限于Fe
2+
、Mn
2+
中的一种或几种。
[0017]进一步优选地，所述电沉积后的镍前驱体水溶液和添加的镍基合金催化剂前驱体水溶液混合后，溶液中Ni
2+
初始浓度为0.2
‑
1mol/L，M金属离子初始浓度为0.02
‑
0.5mol/L，初始电沉积溶液中Ni
2+
浓度大于M金属离子浓度。
[0018]优选地，步骤(3)中，电化学沉积所用电流密度为1
‑
500mA/cm2，时间为1
‑
60min。
[0019]优选地，步骤(3)中，电化学沉积过程中，不断添加具有M金属离子而不具有Ni
2+
的催化剂前驱体水溶液，M金属离子浓度为0.02
‑
0.5mol/L，使得在整个电沉积过程中Ni
2+
相对浓度和M金属离子相对浓度呈现连续梯度变化，Ni
2+
相对浓度逐渐降低，M金属离子相对浓度逐渐增加，最终形成具有梯度组分结构(组分连续变化)的镍基合金催化层。
[0020]优选地，步骤(4)中，所述铵液浓度为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；电化学刻蚀所用电流密度为5
‑
100mA/cm2，时间为5
‑
60min。
[0021]优选地，复合电极选择性刻蚀后，将复合电极用去离子水清洗、烘干，然后置于保护性气氛中进行煅烧处理，煅烧温度为200
‑
600℃，煅烧时间为0.5
‑
4h，最终得到具有基体与催化层一体化复合结构的电极。
[0022]一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极，采用上述制备方法制得。
[0023]一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极的应用，将所述的电极用于碱性电解制氢。
[0024]本专利技术针对负载催化层与基体的结合力不足以及催化剂负载后的复合电极微结构不易调控的难题，提出了一种具有基体与催化层一体化复合结构的镍基合金复合电极及其制本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有基体与催化层一体化复合结构的电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)镍基体的表面除杂质处理：弱酸处理，去除表面杂质；(2)多孔镍层的电化学沉积：将处理后的镍基体置于镍前驱体水溶液中进行电沉积，采用两电极体系，处理后的镍基体作为阴极；(3)镍基合金催化层的电化学沉积制备：在步骤(2)的基础上，向电沉积后的镍前驱体水溶液中添加镍基合金催化剂前驱体水溶液继续进行电化学沉积；(4)复合电极的选择性刻蚀：将负载具有梯度组分结构镍基合金催化层的复合电极置于铵液中进行选择性电化学刻蚀，采用两电极体系，复合电极作为阳极；(5)复合电极的煅烧处理：将刻蚀后的电极进行煅烧处理。2.根据权利要求1所述的具有基体与催化层一体化复合结构的电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将镍基体置于弱酸溶液中进行超声处理15
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60min，以去除表面杂质，所述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；然后用去离子水将镍基体冲洗干净，pH值至7
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8；所述镍基体为镍网或泡沫镍。3.根据权利要求1所述的具有基体与催化层一体化复合结构的电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述镍前驱体水溶液中Ni
2+
初始浓度为0.1
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0.5mol/L，电化学沉积所用电流密度为5
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500mA/cm2，时间为1
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20min，在镍基体上原位形成多孔镍层。4.根据权利要求1所述的具有基体与催化层一体化复合结构的电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述电沉积后的镍前驱体水溶液和添加的镍基合金催化剂前驱体水溶液混合后，溶液中含有Ni
2+
和M金属离子，M为不与铵根离子发生配位络合反应的金属元素，M金属离子包括且不限于Fe
2+
、Mn
2+
中的一种或几种。5.根据权利要求4所述的具有基体与催化层一体化复合结构的电极的制备方法，其特征在于，所述电沉积后的镍前驱体水溶液和添加的...
【专利技术属性】
技术研发人员：张存满，耿振，金黎明，吕洪，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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