[發(fā)明專利]一種自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極的制備方法

有效

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• 申請日: 2019-04-22
• 公開（公告）號: CN110205636B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王保國;王培燦
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/03;C25B11/06;C25D3/12;C25D3/56
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發(fā)明公開了屬于電解水制取氫氣和氧氣技術(shù)領(lǐng)域的一種自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極的制備方法。該雙功能催化電極的制備是以鎳網(wǎng)為陰極，惰性導(dǎo)電體為陽極，在氯化鎳、氯化銨的水溶液中，常溫、常壓條件下進(jìn)行電沉積，制備三維層級多孔的鎳；此后將得到的鎳網(wǎng)作為電沉積的陰極，使用惰性導(dǎo)電體為陽極，浸入含有硝酸鎳、硫酸亞鐵、乙二醇的水溶液中，在常溫、常壓條件下再進(jìn)行電沉積處理，得到具有多孔層級結(jié)構(gòu)的鎳鐵/鎳/鎳催化電極；本發(fā)明通過兩步電沉積實(shí)現(xiàn)得到有效活性面積大、氣泡析出通道和優(yōu)異的導(dǎo)電性，在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)析氫和析氧性能的電極。制備工藝簡單、快速、無污染且易于放大，便于進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)制造。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電解水制取氫氣和氧氣技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極的制備方法，

背景技術(shù)

隨著能源需求的快速增長和化石燃料的枯竭，亟需發(fā)展一種綠色清潔的能源來替代化石燃料。氫氣因具有燃燒熱值高、來源廣和反應(yīng)產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來的能源載體。但是目前大部分的氫氣來源于天然氣或者煤、石油重整過程，伴隨著大量二氧化碳、二氧化硫等環(huán)境污染物排放。因此，發(fā)展零碳排放的電解水制氫技術(shù)是未來最有潛力的制氫技術(shù)之一。目前的電解水制氫過程能耗高、成本高，嚴(yán)重阻礙大規(guī)模電解水工業(yè)發(fā)展，研發(fā)具有高催化活性的析氫催化劑、析氧催化劑，是降低電解水過程能耗的有效方法。鉑系貴金屬被認(rèn)為是最佳性能的析氫催化劑，同時(shí)，二氧化銥或二氧化釕是最佳的析氧催化劑。由于這些金屬元素地殼中含量小，市場價(jià)格昂貴，無法在商業(yè)電解水領(lǐng)域推廣應(yīng)用。因此，研究開發(fā)價(jià)格低廉，制備工藝簡單，高活性的電解水催化劑至關(guān)重要。此外，在制備析氫、析氧催化電極時(shí)，如果陽極、陰極為不同材料，會導(dǎo)致制造設(shè)備數(shù)量增加，提高制造成本。因此,研究開發(fā)制備工藝簡單，價(jià)格低廉，高催化活性的自支撐雙功能催化電極具有重要的價(jià)值。

目前，工業(yè)上使用的電催化劑多數(shù)為粉末狀催化劑，需要使用粘結(jié)劑等將活性材料固定在集流體上，該類工藝存在明顯缺陷。一方面，催化活性位點(diǎn)容易被粘結(jié)劑覆蓋，降低催化活性；另一方面，使用粘結(jié)劑不可避免的增加了制備成本，制備工藝繁瑣。為了解決這個(gè)問題，本發(fā)明提出一種自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極的制備方法。將電催化劑與集流體合二為一，不僅可以降低電極制備成本，同時(shí)還能夠顯著提高催化電極穩(wěn)定性。與此同時(shí)，所制備的電極不僅能夠用于陽極析氫電極，還能夠用作陰極析氧電極，大幅度降低電解水專用電極制備成本。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極的制備方法，其特征在于，該方法制備出一種具有多孔層級結(jié)構(gòu)的鎳鐵/鎳/鎳催化電極；

所述自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極的制備包含以下步驟：

步驟一：以鎳網(wǎng)為陰極，惰性導(dǎo)電體為陽極，在氯化鎳、氯化銨的水溶液中，常溫、常壓、電流密度1～5A/cm²條件下進(jìn)行電沉積處理；

步驟二：用去離子水沖洗步驟一得到的陰極金屬鎳網(wǎng)，所述金屬鎳網(wǎng)用作第二步電沉積的陰極，使用惰性導(dǎo)電體為陽極，浸入含有硝酸鎳、硫酸亞鐵、乙二醇的水溶液中，在常溫、常壓、電流密度為2～50mA/cm²條件下進(jìn)行電沉積處理，得到具有多孔層級結(jié)構(gòu)的鎳鐵/鎳/鎳催化電極，即自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極；

步驟三，經(jīng)過上述給定順序的兩步電沉積處理后，將所述多孔層級結(jié)構(gòu)的鎳鐵/鎳/鎳電極的鎳網(wǎng)取出，使用去離子水清洗表面，干燥后得到成品的自支撐型三維多孔結(jié)構(gòu)雙功能催化電極。

所述步驟二中使用的水液體中水與乙二醇的體積比例為1:0～1:4。

所述步驟二的水液體中硝酸鎳和硫酸亞鐵的摩爾比為1：5～5：1

所述惰性導(dǎo)電體為鉑或鈦鍍釕。

所述步驟一的金屬鎳網(wǎng)能夠用泡沫鎳、鎳絲、泡沫銅、銅網(wǎng)、碳布、石墨烯薄膜代替。