本發(fā)明涉及電化學(xué)催化的，尤其涉及一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、在電化學(xué)催化領(lǐng)域，尤其是電解水制氫技術(shù)中，開(kāi)發(fā)高效、穩(wěn)定且成本效益高的陰極結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的電解水制氫技術(shù)多采用貴金屬如鉑、釕、銥等作為催化劑，這些材料雖然具有較高的催化活性，但受限于資源稀缺性和高成本，嚴(yán)重制約了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。此外，現(xiàn)有技術(shù)中使用的泡沫鎳等材料雖然孔隙率較高，但是在孔隙大小上有限制，且價(jià)格較貴不適用于批量生產(chǎn)。

2、針對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員一直在探索基于非貴金屬元素的催化劑，以期達(dá)到高效催化析氫反應(yīng)(her)的目的。一些研究通過(guò)水熱法、電沉積法等手段在泡沫鎳或碳纖維布上制備了摻雜型催化劑，這些方法雖然能夠在一定程度上提高催化性能，但難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)，而且催化性能仍存在較大的提升空間。現(xiàn)有研究大多集中于材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高孔隙率、高催化活性以及高穩(wěn)定性的陰極結(jié)構(gòu)，仍需進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新和突破。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供了一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)，以解決傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)的電解水制氫催化電極材料在實(shí)現(xiàn)高孔隙率、增強(qiáng)電催化活性和提高長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的不足問(wèn)題。

2、為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

4、s1：將一定比例的ni和al粉末混合均勻，通過(guò)等離子噴涂方法，將混合粉末均勻噴涂到鎳網(wǎng)表面，得到nial合金涂層；

5、s2：采用化學(xué)活化處理方法，利用特定的化學(xué)試劑和條件，除去步驟s1得到的nial合金涂層中的al元素，形成具有高孔隙率的多孔鎳結(jié)構(gòu)；

6、s3：對(duì)步驟s2得到的多孔鎳結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行預(yù)處理操作，以除去多孔鎳結(jié)構(gòu)表面的油污和氧化物；

7、s4：采用兩步恒電位電沉積方法，在步驟s3預(yù)處理后的多孔鎳結(jié)構(gòu)表面沉積mn摻雜的zncop過(guò)渡金屬磷化物涂層，得到所述陰極結(jié)構(gòu)，即鎳基mnzncop電解水催化電極。本發(fā)明通過(guò)mn的引入可以擴(kuò)大催化劑的形貌尺寸并暴露更多的活性位點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)牧自恿靠梢栽谝欢ǚ秶鷥?nèi)提高h(yuǎn)er活性，也能增加析氫活性位點(diǎn)數(shù)；mn替換部分cop中的co能夠提升電子向p的轉(zhuǎn)移，并使催化劑的熱中性氫吸附自由能(△gh)接近于0，這有利于氫的吸附解吸，mn與co的相互作用也有利于電催化析氫反應(yīng)的進(jìn)行，通過(guò)這種協(xié)同策略來(lái)更加高效的提高電催化性能。另外，本發(fā)明催化劑直接沉積在多孔鎳基上無(wú)需使用粘結(jié)劑，這在提高了電極導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上，也增加了析氫活性位點(diǎn)。

8、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s1中，所述ni和al粉末的混合體積比例為40～90：10～60。

9、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s1中，所述等離子噴涂的參數(shù)包括功率20～50kw，送粉速率30～70g/min，噴涂距離50～200mm，噴涂速度50～400mm/s。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s2中，所述化學(xué)活化處理方法所利用的化學(xué)試劑為由20～40wt％酒石酸鉀鈉和10～20wt％強(qiáng)堿組成的混合溶液。

11、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述強(qiáng)堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。

12、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s2中，所述化學(xué)活化處理方法所利用的特定條件為在60～80℃下處理12～36小時(shí)。

13、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s3中，所述多孔鎳結(jié)構(gòu)表面的預(yù)處理操作依次在無(wú)水乙醇、去離子水、稀鹽酸和去離子水中各超聲清洗20～40分鐘。

14、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s4中，第一步恒電位電沉積采用由0.1～0.3mol/l的mncl2·4h2o、0.01～0.03mol/l的ch3cooh、0.3～0.7mol/l的nacl和0.1～0.3mol/l的nah2po2·h2o組成的電解液，在-1.0v～-2.0v的恒電位下電沉積5～20分鐘。

15、作為優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟s4中，第二步恒電位電沉積采用由0.05～0.10mol/l的coso4·7h2o、0.5～2.0mol/l的zncl2、0.01～0.03mol/l的ch3cooh、0.3～0.7mol/l的nacl和0.05～0.10mol/l的nah2po2·h2o組成的電解液，在-1.0v～-2.0vv的電位下沉積20～30分鐘。

16、本發(fā)明的另外一方面是提供一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)，所述陰極結(jié)構(gòu)采用如上述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法制備得到。

17、本發(fā)明的有益效果：

18、本發(fā)明高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)制備方法，創(chuàng)新性地提出通過(guò)等離子噴涂和化學(xué)活化法制備多孔鎳結(jié)構(gòu)基底，同時(shí)結(jié)合引入mn摻雜的兩步恒電位電沉積工藝，不僅實(shí)現(xiàn)了高孔隙率的多孔鎳基底和mn摻雜的zncop活性層的均勻復(fù)合，而且實(shí)現(xiàn)了催化活性位點(diǎn)的顯著增加和電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了催化電極的電催化活性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，還保持了材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)完整性，有助于提高電解水制氫的效率和應(yīng)用潛力。

19、總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明制備得到的陰極結(jié)構(gòu)，可用作電解海水制氫的電極材料，其不僅兼具高孔隙率和高效穩(wěn)定的her活性，而且在堿性溶液等惡劣環(huán)境中也依然表現(xiàn)出良好的催化活性和穩(wěn)定性，其整體綜合性能和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可滿足電解水制氫技術(shù)的長(zhǎng)期耐久性和穩(wěn)定性需求，具有在清潔能源生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。另外，本發(fā)明陰極結(jié)構(gòu)的催化劑制備方法可批量制備，相對(duì)于常用電解水催化劑(如貴金屬鉑、釕、銥等)成本較低的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)特征：

1.一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s1中，所述ni和al粉末的混合體積比例為40～90：10～60。

3.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s1中，所述等離子噴涂的參數(shù)包括功率20～50kw，送粉速率30～70g/min，噴涂距離50～200mm，噴涂速度50～400mm/s。

4.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s2中，所述化學(xué)活化處理方法所利用的化學(xué)試劑為由20～40wt％酒石酸鉀鈉和10～20wt％強(qiáng)堿組成的混合溶液。

5.如權(quán)利要求4所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述強(qiáng)堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀。

6.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s2中，所述化學(xué)活化處理方法所利用的特定條件為在60～80℃下處理12～36小時(shí)。

7.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述多孔鎳結(jié)構(gòu)表面的預(yù)處理操作依次在無(wú)水乙醇、去離子水、稀鹽酸和去離子水中各超聲清洗20～40分鐘。

8.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s4中，第一步恒電位電沉積采用由0.1～0.3mol/l的mncl2·4h2o、0.01～0.03mol/l的ch3cooh、0.3～0.7mol/l的nacl和0.1～0.3mol/l的nah2po2·h2o組成的電解液，在-1.0v～-2.0v的恒電位下電沉積5～20分鐘。

9.如權(quán)利要求1所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，步驟s4中，第二步恒電位電沉積采用由0.05～0.10mol/l的coso4·7h2o、0.5～2.0mol/l的zncl2、0.01～0.03mol/l的ch3cooh、0.3～0.7mol/l的nacl和0.05～0.10mol/l的nah2po2·h2o組成的電解液，在-1.0v～-2.0v的電位下沉積20～30分鐘。

10.一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述陰極結(jié)構(gòu)采用如權(quán)利要求1～9任一項(xiàng)所述的高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)的制備方法制備得到。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種高孔隙率高電催化性能陰極結(jié)構(gòu)及其制備方法，其包括以下步驟：S1將一定比例的Ni和Al粉末混合均勻，通過(guò)等離子噴涂方法噴涂到鎳網(wǎng)表面，得到NiAl合金涂層；S2采用化學(xué)活化處理方法除去NiAl合金涂層中的Al元素，形成具有高孔隙率的多孔鎳結(jié)構(gòu)；S3預(yù)處理操作除去多孔鎳結(jié)構(gòu)表面的油污和氧化物；S4采用兩步恒電位電沉積方法，沉積Mn摻雜的ZnCoP過(guò)渡金屬磷化物涂層，得到所述陰極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明陰極結(jié)構(gòu)的制備方法，可批量化制備且具有較高的成本優(yōu)勢(shì)，制備得到的陰極結(jié)構(gòu)不僅具備了高孔隙率和高電催化性能，而且實(shí)現(xiàn)了在嚴(yán)苛條件下的高穩(wěn)定性，可滿足高效電解水制氫的長(zhǎng)期運(yùn)行需求。

技術(shù)研發(fā)人員：胡彪,張勤號(hào),譚志森,王川,解祥東,所新坤,陳秀勇,任潞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：寧波大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6