[發明專利]一種納米多孔鎳基非晶合金材料及其在電解水制氫中的應用

在審

• 申請號: 201910159551.5
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN110055477A
• 公開（公告）日: 2019-07-26
• 發明（設計）人: 鄧意達;李文博;胡慶豐;胡文彬;鐘澄;張金鳳;韓曉鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C22C45/04
• 分類號: C22C45/04;C25B1/04;C25B11/03;C25B11/06
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明涉及一種納米多孔鎳基非晶合金材料及其在電解水制氫中的應用；經過合金成分的選擇及合金制備、制備Ni?Ti?Zr非晶合金薄帶、然后去合金化制備納米多孔鎳基非晶合金表皮；將非晶金屬薄帶截成段，在室溫下將其置于0.1M氫氟酸腐蝕液中浸泡處理30～50min，溶解表面的部分Ti、Zr元素，形成納米多孔鎳基非晶合金表皮，然后再浸泡在去離子水中，溶解殘留污染物，獲得納米多孔鎳基非晶合金材料。該材料可有效降低堿性環境中的析氫過電位至40mV以下，且可經過適當的工程學設計直接制備成一體式電極，減少電極制備工藝的復雜性，適合大批量生產，為堿性環境析氫催化劑的導向性設計和性能優化提供了新的思路和策略。

技術領域

本發明涉及一種納米多孔鎳基非晶合金材料，可用于電解水制氫，屬于新材料技術以及新能源技術領域。特別是提出一種納米多孔鎳基非晶合金材料及其在電解水制氫中的應用。

背景技術

隨著能源問題與環境問題的日益惡化，氫能源作為一種可再生的清潔能源進入大眾的視線，氫能源作為高效潔凈的二次能源，被視為未來最有潛力的新能源之一。氫能源的出現可能解決人類生存面臨的兩大問題，達到綠色、可持續的發展模式。然而替代化石能源需要大量的氫氣。目前常見的氫氣制備方法有電解水制氫、生物制氫、光催化制氫和化石燃料制氫等方法。在眾多的制氫方法中，電解水制氫技術的優勢最為顯著制氫原料成本低、資源廣、設備成本低、氫氣純度高以及不存在碳排放問題。但是，當前的電解水制氫技術，因析氫電極過電位高，導致生產能耗較大，從而限制了氫能源的發展。因此，提高電極的析氫催化活性具有很大的意義。

貴金屬Pt、Pd等作為電極材料具有良好的電催化活性和較低的析氫過電位，但是由于這些貴金屬價格昂貴，難以在工業生產中大量應用，從而阻礙了氫能源的普及。而過渡金屬鎳具有較為豐富的資源儲量，且具有一定的陰極催化析氫能力，被公認為貴金屬理想的替換材料。純金屬鎳的催化析氫能力仍與貴金屬有較大差距，適當采取合金化的方式可以提升金屬鎳的催化活性。

工業化制氫需求高效率的催化析氫陰極材料，即在電極單位幾何表面積標準下具有更低的過電位。這種需求使得陰極材料應同時具備兩個要素：1.催化劑較好的本征催化活性；2.整個陰極具有較大的電化學表面，以增加有效的催化位點數量。傳統的電鍍法、球磨法等方法雖然可以實現金屬鎳的合金化，以改善本征催化能力，但在構建大的電化學表面積的方面，其對催化劑粒徑的調節基本限制于微米尺度級別，難以獲得更為理想的效果。特別是，對于粉末型催化劑，理論上具有較大的比表面積，但在其制備成析氫電極后，由于存在不可避免的顆粒團聚問題，使得有效的催化表面積通常遠小于催化劑的真實表面積，電極的催化析氫過電位難以進一步降低。因此，尋找兼具良好析氫催化活性和較大的有效催化表面的鎳基陰極析氫材料是一個非常有意義的工作。

發明內容

本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種納米多孔鎳基非晶合金材料，并用作陰極析氫催化劑，有效降低析氫過電位，可在強堿性環境中穩定工作。

本發明的技術方案:

一種納米多孔鎳基非晶合金材料，幾何結構分為金屬內芯與多孔鎳合金表皮兩部分，內芯為鎳基非晶合金，外部包裹一層納米多孔鎳基非晶合金表皮，所述非晶合金內芯成分為Ni_45+b(Ti₂₀Zr₃₅)_55-b(b＝0～5)at.％，所述納米多孔鎳基非晶合金表皮中金屬元素的原子百分數比例為Ni：(Ti+Zr)＝80+a：20-a(a＝0～16)，其中，Ti、Zr兩種元素以氧化價態形式存在。

所述的納米多孔鎳基非晶合金材料納米多孔結構的孔徑分布范圍為1～100nm。

本發明的納米多孔鎳基非晶合金材料的制備方法，其特征為由以下步驟制備所得：

1)合金成分的選擇及合金制備