一种用于电解水制氢的阴极极板及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于电解水制氢的阴极极板及其制备方法，所述阴极极板包括主极板和围绕主极板设置的极框；主极板包括不锈钢基材，以及构筑在不锈钢基材表面的金属镍颗粒层和若干碳纳米管；碳纳米管表面分布有若干非晶态NiB化合物。通过将非贵金属作为电解水制氢的催化活性物质，本发明专利技术在降低析氢过程的过电位从而提高能量转化效率的同时，降低了电解水制氢的成本，而且通过碳纳米管附着非晶态NiB的结构设计，进一步提高了制氢效率。此外，本发明专利技术还提供了一种简单高效的阴极极板制备方法，便于本发明专利技术阴极极板的推广使用。于本发明专利技术阴极极板的推广使用。于本发明专利技术阴极极板的推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电解水制氢的阴极极板及其制备方法


[0001]本专利技术属于电解水制氢
，尤其涉及一种用于电解水制氢的阴极极板及其制备方法。

技术介绍

[0002]氢能是一种高效、清洁的新能源，目前主要有天然气/石油裂解制氢、水煤气法制氢、焦炉煤气制氢和电解水制氢。电解水制氢技术完全摆脱了对化石能源的依赖，作为一种可持续的制氢方式备受关注，同时电解水制氢产生的氢气纯度高。电解水发生在电极表面，制氢过程存在析氢反应和析氧反应，这两种反应过程均存在一定的过电位，导致了电解水过程中能量转化效率偏低。为了提高能量转化效率，一般采用贵金属材料作为电解水过程的催化剂来降低反应的过电位，贵金属主要是指金、银和铂族金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂）等。
[0003]催化剂在参与化学反应过程中不会改变反应的最终产物，很多贵金属具有良好的催化性能，这些贵金属原子空的d轨道具有良好的表面特性，可以吸收中等强度的活性物质，并与这些活性物质形成中间体与催化电极反应。贵金属有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优点，是电催化领域中不可缺少的材料。
[0004]目前电解水制氢过程中通常将贵金属粉末涂覆于电极材料表面作为阴极，但是在使用过程中，贵金属粉末存在一定的脱落现象，造成了电极的使用寿命较短，并且贵金属粉末价格昂贵，造成电解水制氢的成本较为昂贵。因此，新的高效率低成本电催化剂的开发是解决这个问题的重要手段。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于电解水制氢的阴极极板及其制备方法，通过非贵金属作为电解水制氢的催化活性物质，降低析氢过程的过电位，提高能量转化效率，进而降低电解水制氢的成本。
[0006]本专利技术提供的技术方案具体如下：一种用于电解水制氢的阴极极板，包括主极板和围绕主极板设置的极框；所述主极板包括不锈钢基材，以及构筑在不锈钢基材表面的金属镍颗粒层和原位生长在不锈钢基材表面的若干碳纳米管；所述碳纳米管表面分布有若干非晶态NiB化合物。
[0007]优选地，所述不锈钢基材采用不锈钢网板。
[0008]进一步地，所述极框焊接在主极板的外部，极框上设置有氧气气道孔、氢气气道孔和碱液液道孔。
[0009]一种上述阴极极板的制备方法，包括以下步骤：S1. 对不锈钢基材进行预处理；S2. 采用磁控溅射法在不锈钢基材表面构筑金属镍颗粒层；S3. 金属镍颗粒层构筑完成后再次对不锈钢基材进行预处理，并做喷砂处理；
S4. 采用化学气相法在不锈钢基材表面原位生长出若干碳纳米管；S5. 采用湿化学法在碳纳米管表面制备非晶态NiB化合物，得到主极板；S6. 将主极板与极框焊接，形成电极。
[0010]优选地，步骤S1和S3中的预处理包括采用丙酮和水依次对不锈钢基材进行清洗，以除去其表面油污。
[0011]进一步地，步骤S4中，将三聚氰胺与表面含有金属镍颗粒层的不锈钢基材共同置于管式炉中，并通入氩气，在700~1000℃下进行热处理90~180min，从而在不锈钢基材表面原位生长出若干碳纳米管。
[0012]优选地，在管式炉中，三聚氰胺置于上游，不锈钢基材位于下游。
[0013]进一步地，步骤S5中，将表面生长有碳纳米管的不锈钢基材置于Ni(NO3)2·
6H2O溶液中浸泡30~60min后置于碱性的NaBH溶液中10~15min，从而在碳纳米管表面生成若干非晶态NiB化合物。
[0014]优选地，Ni(NO3)2·
6H2O溶液的浓度为0.1~0.15M，NaBH溶液的浓度为0.8~1.2M。
[0015]本专利技术的有益效果：本专利技术提供的阴极极板，通过将非贵金属作为电解水制氢的催化活性物质，在降低析氢过程的过电位从而提高能量转化效率的同时，降低了电解水制氢的成本，而且通过碳纳米管附着非晶态NiB的结构设计，进一步提高了制氢效率。此外，本专利技术还提供了一种简单高效的阴极极板制备方法，便于本专利技术阴极极板的推广使用。
附图说明
[0016]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0017]图1是本专利技术一实施例提供的阴极极板结构示意图；图2是本专利技术一实施例提供的阴极极板制备方法流程图；图3是本专利技术一实施例提供的极板析氢性能对比图；其中，各附图标记表示为：1
‑
极框，2
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主极板，3
‑
不锈钢基材，4
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金属镍颗粒层，5
‑
碳纳米管，6
‑
非晶态NiB化合物。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]如图1所示，本实施例提供的一种阴极极板包括极框1和主极板2，极框1围绕主极板2设置。具体来说，主极板2采用不锈钢作为基底材料，即图1中的不锈钢基材3，并包括构筑在不锈钢基材3上的金属镍颗粒层4，以及以镍作为催化剂在不锈钢基材3表面原位生长的若干碳纳米管5，碳纳米管5表面分布有若干非晶态NiB化合物6，非晶态NiB化合物6作为高效的催化物质层。
[0020]在一些实施例中，不锈钢基材3采用不锈钢网板，不锈钢是一种耐腐蚀、经济性好
的集流体材料，通过网板设计进一步增大极板与碱性电解液的接触面积。
[0021]在一些实施例中，极框1焊接在主极板2的外部，极框1上与主极板2焊接的部分被称为舌板，并在极框1上设置有氧气气道孔、氢气气道孔和碱液液道孔。
[0022]对于上述阴极极板，本专利技术还提供一种相应的制备方法。
[0023]实施例一如图2所示，本实施例提供一种阴极极板的制备方法，主要包括以下步骤：S1. 采用丙酮、水依次清洗不锈钢基材，去除不锈钢基材表面的油污。
[0024]S2. 在不锈钢基材表面采用磁控溅射法构筑金属镍颗粒层，磁控溅射时间为120s。
[0025]S3. 金属镍颗粒层构筑完成后采用丙酮、水依次清洗以除去表面油污并做喷砂处理。
[0026]S4. 采用化学气相沉积法，将三聚氰胺与表面含有金属镍颗粒层的不锈钢基材共同置于管式炉中，三聚氰胺置于上游，不锈钢基材位于下游，并通入氩气（高纯氮气也可以，但氮气会导致产品中氮含量增高），在800℃下进行热处理120min，从而在不锈钢基材表面以三聚氰胺为碳源原位生长出若干碳纳米管。
[0027]S5. 采用湿化学法，在碳纳米管表面制备非晶态NiB化合物作为高效的催化物质层，最终得到主极板。比如，将表面生长有碳纳米管的不锈钢基材置于Ni(NO3)2·
6H2O溶液中浸泡30~60min后置于碱性的NaBH溶液中10~本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电解水制氢的阴极极板，其特征在于，包括主极板和围绕主极板设置的极框；所述主极板包括不锈钢基材，以及构筑在不锈钢基材表面的金属镍颗粒层和原位生长在不锈钢基材表面的若干碳纳米管；所述碳纳米管表面分布有若干非晶态NiB化合物。2.如权利要求1所述的一种用于电解水制氢的阴极极板，其特征在于，所述不锈钢基材采用不锈钢网板。3.如权利要求1所述的一种用于电解水制氢的阴极极板，其特征在于，所述极框焊接在主极板的外部，极框上设置有氧气气道孔、氢气气道孔和碱液液道孔。4.一种如权利要求1所述的阴极极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.对不锈钢基材进行预处理；S2. 采用磁控溅射法在不锈钢基材表面构筑金属镍颗粒层；S3. 金属镍颗粒层构筑完成后再次对不锈钢基材进行预处理，并做喷砂处理；S4. 采用化学气相法在不锈钢基材表面原位生长出若干碳纳米管；S5. 采用湿化学法在碳纳米管表面制备非晶态NiB化合物，得到主极板；S6. 将主极板与极框焊接，形成电极。5.如权利要求4所述的阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯文，邓波，杜坤，石雪娇，徐子豪，
申请(专利权)人：中汽院江苏新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：