[發明專利]一種析氫電極及其制備和應用

有效

• 申請號: 201611115439.4
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN108172850B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 王二東;劉乾鋒;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/92
• 分類號: H01M4/92;H01M4/88;H01M6/34
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種析氫電極及其制備和應用。具體而言，本發明以泡沫金屬為基底，將泡沫鎳經過清洗處理后，在其表面電化學沉積一層顆粒狀鎳、鈷、鉬的一種或兩種以上的合金，在含氯離子溶液中經過室溫陳化，使電鍍層表面形成一層納米級厚度的納米片狀氫氧化物，氫氧化物為電沉積金屬對應的氫氧化物，再化學沉積微量鉑，繼續室溫陳化以增加氫氧化物的厚度，得到多級孔道結構的析氫電極。本方法制備的析氫陰極的鉑載量低，在鉑載量低于10ug/cm²時，依然具備優異的析氫質量比活性，在鎂水電池應用時穩定性良好。

技術領域

本發明涉及一種超低鉑載量析氫電極；本發明還涉及所述析氫電極的制備方法和應用。

背景技術

鎂水電池的陰極以水為氧化劑，克服了傳統鎂-溶解氧電池對氧需求的限制，相比鎂-溶解氧電池可以實現更高功率密度和更穩定的電能輸出。鎂水電池陰極為水氧化析氫反應，良好的析氫性能是提高電池性能的關鍵之一。

目前的報道的催化劑在近中性環境中的析氫催化活性仍以含鉑催化劑最佳，但其因地殼儲量少且應用廣而價格高昂，現在關于氫析出電催化劑的研究主要集中于如何降低鉑載量。降低鉑載量主要有兩條途徑，一是增加鉑的比表面積，讓同質量的鉑暴露出更多的活性位點，如將鉑制備成單原子層、納米線、納米顆粒或納米簇，甚至單原子催化劑；另一條路徑是進一步增加含鉑催化劑的催化活性，如與其他元素形成合金，或者在特定的基底上生長鉑而改變鉑對氫的吸脫附本征性質而提高鉑的催化活性，從而有效降低鉑載量。

這兩條路徑最典型的代表就是商業化的Pt/C催化劑，但催化劑制備成電極需要相應的粘結劑，粘結劑的使用會使催化劑的活性和穩定性受損。但直接在電極基底上制備無粘結劑的含鉑催化劑的析氫活性不夠，很難滿足商業化的需求。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，發明了一種具有低鉑載量，高活性和穩定性的析氫反應電極，該電極在保證電極析氫活性和穩定性的條件下降低鉑等貴金屬載量進而降低析氫電極的成本。

本發明采用以下技術方案來實現：

所述電極以泡沫金屬為基底，其上負載有金屬球狀顆粒，顆粒表面覆蓋一層納米級厚度的氫氧化物層和微量的催化劑鉑納米粒子；所述泡沫金屬為泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鐵中的一種；金屬球狀顆粒中的金屬為鎳、鈷、鉬中的一種或二種以上，所述金屬氫氧化物為氫氧化鎳或氫氧化鈷或氫氧化鉬中的一種或二種以上。

所述析氫電極的金屬球狀顆粒直徑為0.2-3um；所述金屬氫氧化物的厚度為50-200nm；所述金屬鉑納米粒子的直徑為1-50nm。

所述析氫電極表面的金屬鍍層顆粒堆積而成的孔道在0.5-2um，相鄰顆粒相互貼合或顆粒與顆粒之間存在著1-100nm的縫隙，顆粒表面的氫氧化物層具有直徑在10-100nm孔道，形成豐富的孔道結構。

所述析氫電極的催化劑鉑的載量為2-50ug/cm²，均勻分布在金屬鍍層表面，鉑顆粒被金屬的氫氧化物隔開。

所述析氫電極，其特征在于：所述泡沫金屬的厚度為0.5-3.0mm，孔道數目為50-200PPI，通孔率95-100％。

述析氫電極的制備方法包括以下步驟；

(1)金屬鍍層的制備：將泡沫金屬浸漬于氯化鎳、氯化鈷鹽或鉬酸銨中的一種或二種以上的電鍍液中進行電沉積反應；所述電沉積容量為10-300C/cm²，于所述泡沫金屬表面得金屬顆粒構成的球狀顆粒，所述球狀顆粒的直徑為0.2-3um；

(2)金屬鍍層的陳化處理：將步驟(1)所得具有金屬鍍層的泡沫金屬置于含氯離子的水溶液中室溫陳化處理，至球狀顆粒生長出納米片層狀氫氧化物層；