【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于碱性电解水制氢的阴电极，属于碱性电解水制氢。
技术介绍
1、
2、氢能是一种绿色低碳、高热值、储运方式多样、应用场景广泛的可再生绿色能源，被视为“双碳”目标下的终极能源。绿氢是利用光能、风能等可再生清洁能源发电，通过电解水产生的氢气，真正意义上实现能源的“去碳化”。
3、碱液电解水制氢（alk）是迄今为止，绿氢制备路线中规模最大且商业化应用的技术。电解槽是碱液电解水制氢的关键设备，其中核心部件阴极电极的优劣直接决定制氢效率和产能。商用阴极电极以镍网为基体，喷涂雷尼镍粉末制备电极材料，该电极材料存在催化活性差、耐强碱腐蚀性差、高电流密度下寿命短、与催化剂涂层结合不强易剥落等问题，直接影响电解槽的使用寿命和制氢效率。
技术实现思路
1、
2、针对目前碱性电解水制氢中阴极电极材料存在的不足，本专利技术提供一种用于碱性电解水制氢的阴电极，该阴电极以多孔炭/炭复合材料作为基体，基体的多孔结构不仅在电解水制氢过程中能为碱液和电荷转移提供通道，同时使其具有较大的比表面积，有利于增加水电解催化剂的有效负载，还有利于改善与水电解催化剂的结合效果，与金属基体材料相比，该基体还具有低密度、耐强碱腐蚀的特点，在该基体上负载水电解催化剂制成的阴电极具有高析氢催化活性且可长时间稳定运行，在碱性电解水制氢方面具有良好的应用前景。
3、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
4、一种用于碱性电解水制氢的阴电极，所述阴电极是由多孔
5、所述多孔炭/炭复合材料基体的石墨化度为90~99%，比表面积为0.7~2.5m2/g，接触角为110~160o，抗压强度不小于1.6mpa。
6、优选地，所述多孔炭/炭复合材料基体进行粗化预处理后再负载水电解催化剂，经过粗化预处理能进一步增大所述多孔炭/炭复合材料基体的比表面积以及减少所述多孔炭/炭复合材料基体的接触角，进而能改善水电解催化剂在所述多孔炭/炭复合材料基体上的负载效果。更优选地，经过粗化预处理后的多孔炭/炭复合材料基体的比表面积为1~4m2/g，接触角为60~110o。
7、优选地，采用气相氧化法、液相氧化法或者二者结合的方法对多孔炭/炭复合材料基体进行粗化预处理；更优选地，气相氧化法是将多孔炭/炭复合材料基体置于350~600oc下氧化处理15~50min，液相氧化法是将多孔炭/炭复合材料基体置于5~30wt.%的酸溶液中氧化处理10~30min。
8、优选地，所述多孔炭/炭复合材料基体是由多孔骨架碳以及覆盖在多孔骨架碳表面上的第二相碳经过石墨化形成的；更优选地，多孔骨架碳的密度为0.05~0.7g/cm3，在多孔骨架碳上覆盖第二相碳后的密度为0.14~1g/cm3。
9、优选地，多孔骨架碳的孔隙率为35~80%；更优选地，多孔骨架碳的孔径为50~500μm。
10、优选地，在多孔骨架碳上覆盖第二相碳后，在2000~2800oc下石墨化处理1~6h，形成所述多孔炭/炭复合材料基体。
11、优选地，多孔骨架碳是由碳纤维编织物或泡沫碳作为前驱体制备而成的。
12、优选地，由碳纤维编织物制备的多孔骨架碳的孔径为100~500μm，孔隙率为35~60%；由泡沫碳制备的多孔骨架碳的孔径为50~300μm，孔隙率为40~80%。
13、优选地，第二相碳是碳源气体通过化学气相沉积工艺在多孔骨架碳上沉积形成的；更优选地，碳源气体包括但不限于天然气、丙烯或乙炔，化学气相工艺的沉积温度为800~1100oc，碳源气体流量为1~5m3/h，沉积时间为50~100h；
14、或者，第二相碳是碳源液体通过液相浸渍工艺在多孔骨架碳上裂解形成的；更优选地，碳源液体包括但不限于沥青、酚醛树脂或环氧树脂，液相浸渍工艺的裂解温度为900~1000oc，裂解时间为1~5h；
15、或者，第二相碳的一部分是碳源气体通过化学气相沉积工艺在多孔骨架碳上沉积形成，以及另一部分是碳源液体通过液相浸渍工艺在多孔骨架碳上裂解形成。
16、优选地，由碳纤维编织物制备的多孔骨架碳，多孔骨架碳的密度为0.6~0.7g/cm3，在多孔骨架碳上覆盖第二相碳后的密度为0.8~1g/cm3；由泡沫碳制备的多孔骨架碳，多孔骨架碳的密度为0.05~0.12g/cm3，在多孔骨架碳上覆盖第二相碳后的密度为0.14~0.25g/cm3。
17、优选地，基于碳纤维编织物制备的多孔骨架碳，经过石墨化形成的多孔炭/炭复合材料基体的石墨化度为96~99%，电阻率为1~10mω·cm，比表面积为1~2.5m2/g，接触角为110~150o；基于泡沫碳制备的多孔骨架碳，经过石墨化形成的多孔炭/炭复合材料基体的石墨化度为90~97%，电阻率为10~20mω·cm，比表面积为0.7~1m2/g，接触角为130~160o。
18、优选地，基于碳纤维编织物制备的多孔骨架碳制备的多孔炭/炭复合材料基体经过粗化预处理后，比表面积为2~4m2/g，接触角为60~90o；基于泡沫碳制备的多孔骨架碳制备的多孔炭/炭复合材料基体经过粗化预处理后，比表面积为1~2m2/g，接触角为70~110o。
19、优选地，所述水电解催化剂为过渡金属的合金、过渡金属的氧化物和过渡金属的碳化物中的至少一种。更优选地，过渡金属的合金为镍铁合金，且镍与铁的摩尔比进一步优选为7:1~1:1；过渡金属的氧化物为镍锌氧化物，且镍与锌的摩尔比进一步优选为7:3~1:1；过渡金属的碳化物为碳化镍；过渡金属的合金、过渡金属的氧化物以及过渡金属的碳化物组合使用时，进一步优选为镍铁合金与碳化镍的复合物，且镍铁合金与碳化镍的摩尔比更进一步地优选为1:（1~3）。
20、优选地，所述多孔炭/炭复合材料基体上负载的所述水电解催化剂的颗粒尺寸为0.005~2μm（即5nm~2μm）。
21、优选地，所述多孔炭/炭复合材料基体上负载的所述水电解催化剂的厚度为0.03~5μm（即30nm~5μm）。
22、优选地，采用如下方法将水电解催化剂负载在多孔炭/炭复合材料基体上：
23、水热法：将过渡金属盐与碱性物质溶解于水中，然后转移至反应釜中并加入多孔炭/炭复合材料基体，通过水热反应在多孔炭/炭复合材料基体上形成过渡金属的氧化物；
24、电沉积法：采用过渡金属盐配制电解质溶液，采用恒电位沉积法进行沉积，在作为阴极的多孔炭/炭复合材料基体上形成过渡金属的合金；
25、气相沉积法：采用气相沉积工艺（物理气相沉积工艺或/和化学气相沉积工艺）在多孔炭/炭复合材料基体上沉积形成过渡金属的碳化物；
26、电沉积法+气相沉积法：先通过电沉积法在多孔炭/炭复合材料基体上形成过渡金属的合金，再通过气相沉积工艺在多孔炭/炭复合材料基体上形成过渡金属的碳化物，即在多孔本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：所述阴电极是由多孔炭/炭复合材料基体以及负载在多孔炭/炭复合材料基体上的水电解催化剂组成的；
2.根据权利要求1所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔炭/炭复合材料基体进行粗化预处理后再负载水电解催化剂，经过粗化预处理能增大多孔炭/炭复合材料基体的比表面积以及减少多孔炭/炭复合材料基体的接触角，改善水电解催化剂在多孔炭/炭复合材料基体上的负载效果；
3.根据权利要求1所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔炭/炭复合材料基体是由多孔骨架碳以及覆盖在多孔骨架碳表面上的第二相碳经过石墨化形成的；
4.根据权利要求3所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔骨架碳是由碳纤维编织物或泡沫碳作为前驱体制备而成的；
5.根据权利要求4所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：基于碳纤维编织物制备的多孔骨架碳制备的多孔炭/炭复合材料基体经过粗化预处理后，比表面积为2~4m2/g，接触角为60~90o；
6.根据权利要求1至5任一项所述的一
7.根据权利要求6所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：过渡金属的合金为镍铁合金；过渡金属的氧化物为镍锌氧化物；过渡金属的碳化物为碳化镍；过渡金属的合金、过渡金属的氧化物以及过渡金属的碳化物组合使用时，采用镍铁合金与碳化镍的复合物。
8.根据权利要求7所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：镍铁合金中镍与铁的摩尔比为7:1~1:1；镍锌氧化物中镍与锌的摩尔比为7:3~1:1；镍铁合金与碳化镍的复合物中，镍铁合金与碳化镍的摩尔比为1:（1~3）。
9.根据权利要求6所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔炭/炭复合材料基体上负载的水电解催化剂的颗粒尺寸为0.005~2μm，多孔炭/炭复合材料基体上负载的水电解催化剂的厚度为0.03~5μm。
10.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：所述阴电极的比表面积为1.1~4.2m2/g，密度为0.5~1.8g/cm3。
...【技术特征摘要】
1.一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：所述阴电极是由多孔炭/炭复合材料基体以及负载在多孔炭/炭复合材料基体上的水电解催化剂组成的；
2.根据权利要求1所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔炭/炭复合材料基体进行粗化预处理后再负载水电解催化剂，经过粗化预处理能增大多孔炭/炭复合材料基体的比表面积以及减少多孔炭/炭复合材料基体的接触角，改善水电解催化剂在多孔炭/炭复合材料基体上的负载效果；
3.根据权利要求1所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔炭/炭复合材料基体是由多孔骨架碳以及覆盖在多孔骨架碳表面上的第二相碳经过石墨化形成的；
4.根据权利要求3所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：多孔骨架碳是由碳纤维编织物或泡沫碳作为前驱体制备而成的；
5.根据权利要求4所述的一种用于碱性电解水制氢的阴电极，其特征在于：基于碳纤维编织物制备的多孔骨架碳制备的多孔炭/炭复合材料基体经过粗化预处理后，比表面积为2~4m2/g，接触角为60~90o；
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种用于碱性...
【专利技术属性】
技术研发人员：代丽娜，井蕊璇，谷立民，胡沛玮，程皓，姚成君，王宇浩，冯一涵，
申请(专利权)人：西安超码科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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