[發明專利]一種析氫電極材料性能的優化方法

有效

• 申請號: 201410818273.7
• 申請日: 2014-12-24
• 公開（公告）號: CN105787241B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 肖偉;王立根;黃國杰;程磊;王建偉
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司11100
• 代理人: 劉秀青,熊國裕

技術領域

本發明涉及一種析氫電極材料性能的優化方法，利用該方法能夠高效快捷地提升電極材料的性能，屬于電極材料技術領域。

背景技術

隨著材料科學理論的不斷發展，計算材料學開始在材料設計領域發揮著重要作用。以往對材料性能變化規律的掌握，需要大量的實驗支撐，因此不但人力物力消耗較大，而且新材料的研發周期較長。發展新型、高效、快捷的材料性能優化方法，對于推動材料科學及相關產業的發展有重要意義。

氫能源作為一種理想的二次能源已經受到世界各國廣泛關注。它使用能效高，廢棄物產生少，資源豐富，燃燒熱值高。發展氫能將成為提高能效，降低石油消費，保證能源安全，改善生態環境，實現能源多元化發展的重要途徑之一。為應對可再生能源如風能、太陽能發電的季節性和氣候條件影響，實現平穩供電和并網，儲能技術必不可少。氫作為清潔的能源，也是重要的儲能選擇之一，它將與可再生能源等發展緊密結合。

電解水制氫是其中一種應用廣泛且相對成熟的制氫方法。水電解制氫設備的核心部分是電解槽，電極材料是電解槽的關鍵部分。電極性能的好壞在很大程度上決定著水電解槽電壓高低和能耗大小，直接影響著生產成本。開發價格低廉、性能優越的電極材料，將大力地推進我國氫能事業的發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種析氫電極材料性能的優化方法，采用該優化方法可以簡單快捷地獲取電極材料性能的數據，與傳統實驗方法相比，大幅度減少了人力物力的支出，同時提高了科學研究的效率。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種析氫電極材料性能的優化方法，包括以下步驟：

(1)獲取電極材料表面特征：從電極材料數據庫中選擇需優化的電極材料，將材料特征輸入專家數據庫檢索同類型材料，依據專家數據庫信息構建析氫反應表面或者通過量子力學第一性原理計算模擬探索析氫反應表面；

(2)獲取電極材料與氫原子鍵能：通過模擬手段獲取電極材料與氫原子鍵能；

(3)模擬計算與實驗偏差的評估：將鍵能數據與實驗值進行比較，評估誤差并進行鍵能數值修正；

(4)通過量子力學第一性原理模擬應變與M-H鍵能的關系曲線，從而確定優化電極材料性能所需的應變范圍，最終根據以上結果通過改變襯底材料的種類或者施加外應力的方法調節電極材料的應變，完成析氫電極性能的優化。

其中，電極材料數據庫和專家數據庫由文獻、模擬以及實驗所積累的數據組成。量子力學第一性原理是不依賴任何經驗常數，通過求解薛定諤方程得到材料電子結構，進而預測材料組分、結構、性能之間關系的一種方法。

在本發明的優化方法中，電極材料表面特征的獲取方式有兩種：一是直接從專家數據庫中檢索同類型材料發生析氫反應的表面，這類表面往往是慣析面，具有表面形成能低、穩定等特點；二是基于量子力學第一性原理模擬獲取同類材料能量最低的表面。電極材料與氫原子鍵能的獲取方式有兩種：一是通過專家數據庫，獲取基于量子力學第一性原理模擬的金屬與氫原子鍵能；二是基于量子力學第一性原理模擬探索H原子在電極材料表面最穩定的占據位置，并獲取對應的鍵能。

在本發明的優化方法中，模擬計算與實驗偏差評估是必不可少的關鍵步驟之一。目前比較流行的析氫理論是遲緩放電理論和復合理論。通常認為在堿性或中性介質中的電極反應基本過程如下：

[1]電化學反應：產生吸附在電極表面的氫原子H₂0+e+M-MH+OH^-；

[2]復合脫附：MH+MH-2M+H₂；

[3]電化學脫附：MH+H₂0+e-H₂+M+OH^-。

在上述析氫過程中，可以發現析氫電極的催化活性大小，主要取決于吸附氫和脫附氫的速度。其中M為電極材料，M-H鍵的鍵強度較強時有利于電極對氫的吸附；M-H鍵的鍵強度較弱時有利于氫在電極上的脫附。因此，通常情況下，可以通過調節電極材料M的電化學活性、電子結構以及電極形狀、表面形貌等內在因素和溫度、鍍層厚度等外在因素來調節M-H鍵的強度。

然而，模擬計算和實驗往往存在著偏差。實驗中獲得的M-H鍵能數據，表示析氫電極材料與H的平均鍵能，然而模擬計算中往往給出析氫電極材料與H的最大鍵能。兩者數值上存在著一定的偏差。因此，為了保障基于量子力學第一性原理模擬計算的結果調節實驗中電極材料M的催化性能的可靠性，需要進行鍵能數值修正。