[发明专利]一种氧化铈负载三维镍铜合金多孔复合阴极的制备方法

说明书

本发明提供了一种氧化铈负载多孔镍铜合金阴极的制备方法，其特征包括以下步骤：①将已经氢还原处理过的羰基镍粉、电解铜粉混合，压制成型，烧结得到三维多孔Ni‑Cu合金预基体；②二氧化铈与聚乙烯醇缩丁醛液按一定比例配置形成成膜浆料，用成膜器在三维多孔Ni‑Cu合金预基体表面覆膜，在氮气下干燥，脱膜形成复合阴极烧结预制体；③采用真空烧结炉，设计控温程序升温烧结所得预制体，得到二氧化铈负载三维多孔Ni‑Cu合金复合阴极材料。该方法制得的多孔镍铜基二氧化铈复合阴极强度高，二氧化铈在基体表面附着均匀，电催化活性高，孔径分布均匀，孔径平均大小为500nm左右，孔隙率可达达55%。本发明制备简单，工艺参数容易控制，所得产品综合性能优异。其产品结构和性质非常适用于制作电解水阴极元件和催化分离核心组件。

技术领域

本发明属于碱性环境电解水制氢领域，涉及一种微孔、高活性位点分布的复合催化析氢阴极及其制备方法，所制备的复合多孔材料不仅适用于电解水制氢阴极，而且可用作直接甲醇燃料电池催化剂。

背景技术

在电解水制氢过程中，电极材料的选择及结构的设计是整个技术的关键。析氢和析氧过电位大约占整个槽电压的三分之一，形稳阳极已大大降低了阳极过电位，鉴于水的理论分解电位及离子膜电位是无法避免的，因而降低槽电压的主要方法就是降低阴极析氢过电位。Pt，Pd等贵金属作为电极虽然具有良好的电催化活性，析氢过电位低，但是由于这些贵金属价格昂贵，难以在工业生产中大量应用。

随着电极材料成分的多元化研究，不少结果都表明，稀土元素或稀土氧化物的引入相较于原单相或二相电极，其电催化析氢活性和稳定性都有明显提高。然而，非稳定供电模式下的电解制氢过程，对阴极材料的电催化稳定性要求更加严格，有陆续的研究报道表明稀土金属氧化物由于稀土元素特殊的电子结构，作为第二相成分以不同形式引入原催化体系，能在不同程度上提高电催化体系的稳定性。复合Ni/CeO₂在对丁烷的重整过程中显示出了良好的催化性能，使碳稳定地氧化成CO₂，避免积碳的发生。而在电解水制氢催化电极方面，由于CeO₂在碱性环境下的耐蚀性，已有报道通过复合电沉积工艺，将CeO₂加入到具有催化活性的Ni及其二元和三元合金中，以通过提高对氢气的吸附性能来抑制电极的氧化或溶出，延长电极寿命。

在选用适当合金材料体系的前提下，设计和优化材料的表面形态和表面结构对获得具有优异电催化性能的电极具有重要的意义。去合金化法、复合电沉积法形成多孔电极、或通过用多孔材料作基底来沉积析氢合金等途径是目前常用的提高电极材料比表面积方式。然而，这些工艺对于多孔结构的有效控制及在电极量产化要求方面都受到了一定的限制。

本发明选择稀土氧化物CeO₂作为第二相颗粒，通过生坯覆膜及真空烧结方式，将其引入至三维多孔Ni-Cu合金材料表面，制备形成三维复合阴极材料，用于复杂电解模式下的电解水制氢过程，以最大程度地稳定电极材料的电催化活性。在此技术中，可以精确控制CeO₂与基体的界面结合形式，以及CeO₂在基体表面的活性面积。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于碱性环境电解水制氢的电催化阴极及其制备方法，解决目前电催化析氢阴极材料制备价格高，工艺复杂，工业化生产困难及材料结构稳定性不好等缺点。本发明选择稀土氧化物二氧化铈作为第二相颗粒，通过生坯覆膜及真空烧结方式，将二氧化铈引入至三维多孔Ni-Cu合金材料表面，制备形成三维复合阴极材料。所得复合材料结构稳定，二氧化铈颗粒均匀附着于三维多孔Ni-Cu合金表面，形成连续可控的活性位点，能极大提高阴极的电催化活性，且能在较长运行周期内保持稳定的电催化效率，适用于工业化生产。

本发明所包含的技术方案包括以下几个步骤：

1.三维多孔Ni-Cu合金预基体的制备：