[發明專利]一種多孔鎳基合金電解析氫陰極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710458066.9
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107268019A
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 吳靚;李曉娜;肖逸鋒;許艷飛;錢錦文;徐陽;郭小花;曾燦
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: C25B11/03
• 分類號: C25B11/03;B22F3/11
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種多孔鎳基合金材料的制備技術，特別是涉及一種Ni-Cr-Fe-Co電解析氫陰極材料的制備方法。

背景技術

工業革命以來，傳統的化石燃料能源日益枯竭，化石燃料能源的儲藏量日益枯竭。及時開發清潔、價廉的新能源，以逐步取代現有的化石燃料，達到減少污染與溫室氣體排放、最終實現零排放的目的尤為重要。而氫能以其儲量豐富、熱值高、清潔、高效、便于運輸等特點在人們探索的眾多新能源中，引起人們越來越多的關注。氫能開發正在引發一場深刻的能源革命，并將成為21世紀理想的二次能源。目前常見的氫氣制備方法有化石燃料制氫、微生物制氫、光催化析氫、電解水制氫等。其中電解水制氫效率高，工藝過程簡單，幾乎不產生污染，應用比較廣泛。但由于目前的析氫電極具有較高的過電位和穩定性較差而導致能耗大，限制了其大規模生產。開發具有較高的析氫催化活性和電催化穩定性的新型電極材料很有必要。

過渡金屬 Ni 是良好的析氫陰極材料。首先，過渡金屬 Ni 的價電子層排布為 3d⁸4s²，含有未充滿的 d 電子層，原子 H 進入金屬中，電離出的電子與 Ni 中未成對 d 電子形成了 M-H 鍵。通常過渡金屬中有未成對的 d 電子或空軌道，和氫反應都會生成 M-H 鍵。當金屬表面形成的吸附鍵鍵能遞增時，根據“火山型效應”，過渡金屬與H 的反應速度先增大后減小。金屬 Ni具有適中的吸附 H 鍵能和較快的反應速率，從而表現出優異的電催化析氫反應性能。其次是因為它們大多都是非晶態合金，這種合金具有長程無序、短程有序的相結構。這種特別的相結構使得原子呈現出無規則且緊密的排列方式，這種結構明顯降低了析氫反應的活化能，從而展現出優異的電催化性能。由Tafel公式可知，增大電極的比表面積可以提高電極的析氫催化活性，比如具有多孔結構的鎳鋁合金——雷尼鎳可以使鎳電極的表面積增大1000倍以上，于是可以得到相對較低的析氫過電位。如專利CN 103103562A中的Ni-Co-W-Cu-B多組分陰極材料包括基底和表面的電沉積Ni-Co-W-Cu-B合金鍍層，其基底為具有更大表面積材料的銅網而非銅片,在同等條件下所得到的Ni-Co-W-Cu-B多組分陰極材料產生了更好的產氫性能。可知，增大材料的表面積可以得到相對較低的析氫過電位，提高電極的析氫催化活性。如專利CN105483744A中也指出將鉻族金屬（Cr、Mo、W）添加到鐵系金屬（Fe、Co、Ni）當中，可有效降低鐵系金屬表面析氫反應的活化能，從而提高其析氫催化活性。同時，鐵系金屬在堿性水溶液中的化學穩定性很高，自身不易腐蝕。如能合理選擇鉻族金屬與鐵系金屬所形成合金的元素配比，并控制合金的物相組成，便有希望獲得一種在堿性水溶液中析氫活化能低且耐腐蝕的合金催化劑。

本發明正是基于此而提出采用元素粉末反應合成法制備Ni-Cr-Fe-Co多孔鎳基電解析氫陰極材料。該材料具有較高的比表面積、較低的析氫過電位、相對優良的抗腐蝕性能、較好的化學穩定性和較高的機械強度等優點，制備工藝簡單環保，將對氫能源的開發與應用有很大的意義。

發明內容

本發明目的在于提供一種具有豐富孔隙且孔徑相對較大的粉末冶金燒結多孔電解析氫陰極材料的制備方法。本發明采用 Ni、Cr、Fe、Co粉制成孔隙豐富的多孔材料，利用其豐富的孔結構、較低的析氫過電位、優異的電催化活性和良好的化學穩定性，解決現有析氫電極催化活性不高、比表面積小、耐腐蝕性不好、抗斷電短路能力差和析氫不穩定等問題。

本發明公開了一種多孔鎳基合金電解析氫陰極材料的制備方法，其具體制備方法包括以下步驟：

（1）粉末配制：將Ni、Cr、Fe、Co四種高純元素粉末按一定質量百分比配好，其中Cr、Fe、Co粉共占總質量的25~60%，余量為Ni；

（2）粉末處理：將配制好的粉末放在V型混粉機上勻速混合8~16h后，加入粉末總質量1~3%的硬脂酸，再在40~60℃普通干燥箱中干燥6~12h；

（3）壓制成型：將混合均勻的粉料在50~200MPa的壓力下保壓30~120s后壓制成型，得到生坯；