一种电解水制氢电极及制备方法与流程-k8凯发

本发明涉及电解水制氢，具体涉及一种电解水制氢电极及制备方法。

背景技术：

1、新能源成为越来越受重视的发展方向。氢气和氢能在这样的背景下发挥着越来越重要的作用，根据目前的技术发展状态，氢能被认为是实现双碳目标不可缺少的组成部分，后续对氢能的需求量将以指数级的增加，迫切需要更加经济、高效的制氢系统，以实现制氢系统的技术升级和跨越。电解水制氢被认为是制取氢气的主要途径，尤其是利用太阳能、风能这种波动幅度大对电网产能冲击，而产生弃风、弃光的新能源发电系统，利用被放弃的能量进行电解水制取氢气，使能源得到最充分的利用。随着氢气用量的不断增加，电解水技术取得了发展和应用，主要有碱性电解水、pem(质子交换膜)电解水等技术，但都存在需要使用贵金属作为催化剂，尤其是pem电解水技术，需要大量使用铂、铱等非常稀缺的贵重金属作为催化剂，而这些贵重金属也是燃料电池的主要催化剂，必然会出现与燃料电池争抢催化剂，造成成本难以控制的局面。而且这些电解水技术都存在电极极化大的问题，导致电解效率低。

2、泡沫镍作为一种新型的功能材料，是将金属镍经过高科技深加工制成泡沫海绵状多孔发泡金属，其具有三维全贯通网孔结构，孔隙约为1-2mm，骨架中空并以冶金状态彼此交连，具有孔隙度高、体密度小、抗热冲击、固有的抗拉强度和比表面积大等优点，是作为碱性电解水制氢电极理想的基体材料，采用泡沫镍作为基体进行各类元素掺杂改性也是当前行业内研究的热点。常规泡沫镍材料因制备工艺的限制，在泡沫镍烧结过程中，因聚氨酸基体在高温烧结时形成的气体溢出，对电沉积时形成的金属晶体造成晶壁断裂或形成孔洞，在电解水制氢工艺中，因为高压和高电流的冲击，如果不将作为电解水制氢电极基体的泡沫镍结构中的微孔隙进行封闭和改性，就很容易造成基体受冲击而塌陷，从而造成整个电极的报废。为了解决这个技术问题，现有研究者有研究通过热喷涂或湿法涂覆等方法，在泡沫镍表面进行涂层包裹，尝试覆盖住泡沫镍基体表面的微孔隙，但是热喷涂工艺本身产生的涂层致密性不高，而且喷涂过程中金属粉末的利用率仅为25-30%，成本较高，而通过湿法涂覆的方法所得的涂层虽然解决了致密性问题，但在电解水制氢过程中，涂层容易发生水解而脱落，严重影响使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种电解水制氢电极及制备方法，通过本技术方案所制备的电极，解决了泡沫镍基体的微孔隙问题，使泡沫镍的晶体结构由空心结构形成实心结构，强度提升了35%以上，在大电流充电条件下，改性后的泡沫镍电极析氢过电位降低5.3%。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明提供一种电解水制氢电极的制备方法，包括以下步骤：

4、s1.复合沉淀液体的制备：在硫酸镍溶液中添加镍粉、铝粉和钼粉组成的复合粉末，加入碱液，反应，沉淀均匀搅拌，得到复合沉淀液体；

5、s2.沉淀物质的负载：将泡沫镍浸入到复合沉淀液体中浸泡，施加压力，进行负载；

6、s3.碾压：将负载沉淀物质的泡沫镍进行碾压，清冼；

7、s4.热处理：将碾压处理后的泡沫镍进行热处理；

8、s5.电镀：将热处理后的泡沫镍进行电镀；

9、s6.烧结：将电镀完成后的泡沫镍进行烧结还原，得到电解水制氢电极。

10、作为本发明的进一步改进，步骤s1中所述硫酸镍溶液中镍离子浓度为100-200g/l，所述沉淀的颗粒粒径为15-20μm。过高或过低的镍离子浓度均会导致沉淀物的颗粒粒径过大或过小，无法有效填充泡沫镍基体的微孔隙。

11、作为本发明的进一步改进，步骤s1中所述镍粉、铝粉和钼粉的质量比为7-8：1.5-2.5：1-5，其中镍粉粒径为30-50μm，铝粉粒径为10-30μm，钼粉粒径为10-30μm；所述复合粉末在硫酸镍溶液中的质量分数为5-10%。

12、作为本发明的进一步改进，步骤s1中所述碱液为浓度为10-50%的氢氧化钠、氨水、碳酸氢铵或氢氧化钾溶液。

13、作为本发明的进一步改进，步骤s2中所述压力为0.5-5.0mpa，所述复合沉淀物在泡沫镍表面负载量为100-500g/m2；所述泡沫镍厚度为3-5mm，开孔率为30-50%，面密度控制为200-350g/m2。

14、作为本发明的进一步改进，所述浸泡与碾压分别重复3-5次，在复合沉淀液中浸泡时，第一次时间控制在30-60min，第二次时间控制在20-40min，第三次时间控制在10-30min，如果需要浸泡5次，则后两次时间均控制在10-20min，进行碾压时，第一次控制厚度差在1.0-1.5mm，第二次控制厚度差在0.5-0.8mm，第三次控制厚度差在0.2-0.5mm，如果需要浸泡5次，就需要碾压5次，后两次碾压的厚度差控制在0.1-0.2mm。

15、作为本发明的进一步改进，步骤s4中所述热处理温度为500-750℃，采用氮气或氩气等惰性气体保护，或采用真空热处理。

16、作为本发明的进一步改进，步骤s5中所述电镀采用两级电镀，第一级电镀采用小电流密度0.5-1.0a/dm2，时间30-60min，第二级电镀采用大电流密度5-10a/dm2，时间20-30min。

17、作为本发明的进一步改进，步骤s6中所述烧结还原的温度为1000-1200℃，时间为30-60min；通入氢气，氢气的通气量为100-500ml/min。

18、本发明进一步保护一种上述的制备方法制得的电解水制氢电极。

19、本发明具有如下有益效果：通过本技术方案所制备的电极，解决了泡沫镍基体的微孔隙问题，使泡沫镍的晶体结构由空心结构形成实心结构，强度提升了35%以上，在大电流充电条件下，改性后的泡沫镍电极析氢过电位降低5.3%。

技术特征：

1.一种电解水制氢电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述硫酸镍溶液中镍离子浓度为100-200g/l，所述沉淀的颗粒粒径为10-20μm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述镍粉、铝粉和钼粉的质量比为7-8：1.5-2.5：1-5，其中镍粉粒径为30-50μm，铝粉粒径为10-30μm，钼粉粒径为10-30μm；所述复合粉末在硫酸镍溶液中的质量分数为5-10%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述碱液为浓度为10-50%的氢氧化钠、氨水、碳酸氢铵或氢氧化钾溶液。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述压力为0.5-5.0mpa，所述复合沉淀物在泡沫镍表面负载量为100-500g/m2；所述泡沫镍厚度为3-5mm，开孔率为30-50%，面密度控制为200-350g/m2。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸泡与碾压分别重复3-5次，在复合沉淀液中浸泡时，第一次时间控制在30-60min，第二次时间控制在20-40min，第三次时间控制在10-30min，如果需要浸泡5次，则后两次时间均控制在10-20min；进行碾压时，第一次控制厚度差在1.0-1.5mm，第二次控制厚度差在0.5-0.8mm，第三次控制厚度差在0.2-0.5mm，如果需要浸泡5次，就需要碾压5次，后两次碾压的厚度差控制在0.1-0.2mm。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中所述热处理温度为500-750℃，采用氮气或氩气等惰性气体保护，或采用真空热处理。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s5中所述电镀采用两级电镀，第一级电镀采用小电流密度0.5-1.0a/dm2，时间30-60min，第二级电镀采用大电流密度5-10a/dm2，时间20-30min。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s6中所述烧结还原的温度为1000-1200℃，时间为30-60min；通入氢气，氢气的通气量为100-500ml/min。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的制备方法制得的电解水制氢电极。

技术总结
本发明提出了一种电解水制氢电极及制备方法，属于电解水制氢技术领域。包括：s1.复合沉淀液体的制备；s2.沉淀物质的负载；s3.碾压；s4.热处理；s5.电镀；s6.烧结。通过本技术方案所制备的电极，解决了泡沫镍基体的微孔隙问题，使泡沫镍的晶体结构由空心结构形成实心结构，强度提升了35%以上，在大电流充电条件下，改性后的泡沫镍电极析氢过电位降低5.3%。

技术研发人员：谢红雨,陈红辉,廖丽军,谭荣波,刘任国
受保护的技术使用者：常德重塑澎湃新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8