[发明专利]一种三维自支撑性水分解制氢电催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于水分解制氢的电化学催化剂的制备方法，属于能源转化材料制备技术领域。首先制备原子比镍:钛:铜＝4:1:5的三元合金，然后在把合金加工为厚度20μm左右的条带。采用电化学脱合金的方法，对铜选择性腐蚀，制备出三维带有纳米片状的自支撑镍钛铜催化剂。这种电极材料的优势在于：非贵金属原料含量丰富，价格低廉；三维自支撑性结构，无需有机粘合剂；在碱性介质中制氢，在电流密度为10mA/cm^‑2和100mA/cm^‑2过电位分别为48mV和124mV，且电流密度超过20mA/cm^‑2的时候，本发明电极所需的过电位比贵金属Pt/C还好。

技术领域

本发明涉及一种用于水分解制氢的电化学催化剂的制备方法，属于能源转化材料制备技术领域。

背景技术

氢能源是清洁可持续的能源。寻找低电位下高效持续驱动电解水制氢的催化剂，是实现氢经济的关键之一。目前来说，贵金属铂被誉为最好的制氢催化剂，由于贵金属稀有且价格昂贵，极大地阻碍了它们在电解水工业中的大规模应用。所以开发廉价的非贵金属催化剂代替目前的贵金属催化剂成为现阶段的重要任务。此外，非贵金属催化剂在酸性介质中耐久性较差，从而限制了酸性制氢的发展。而碱性电解槽不仅相关技术完善，具有一定的商业发展空间，并且碱性条件下制氢也是氯碱工艺的关键反应之一。为了满足氢能源的巨大需求量，碱性条件电解水制氢技术尤其重要。

近年来，二元或多元金属的协同作用吸引到科研人员的注意，尤其是镍铜基合金。但由于暴露活性位点的不足，限制了其的制氢催化活性。此外，相关报道也指出金属钛与铜或镍结合都有极佳的协同作用。而常见的电催化剂都是粉末状态，需要依赖有机粘合剂固定在工作电极上。粉末催化剂负载量有限、有机粘合剂导电性差、粉末催化剂脱落等问题都会影响电极的稳定性。相比下，三维自支撑性电极不仅有更大的活性比表面积，有利于电子传输和质子转移，且性能高效，制备工艺简单，具有良好的应用前景。因此，发展一种镍钛铜三元自支撑催化剂电极具有重大的意义。

发明内容

本发明旨在降低电解水制氢的过电势、有效驱动碱性条件制氢反应的进行，提供一种原料廉价、制备过程简单温和的多孔三维自支撑性催化剂电极及其制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下的技术方案，包括以下步骤：

(1)合金制备：制备镍钛铜三元合金，且原子比为镍:钛:铜＝4:1:5。所述合金加工为宽度约20μm的合金条带。

(2)将步骤1制备的合金条带采用脱合金的方法，制备多孔的、带有纳米片状的三维自支撑性电极，所述三维自支撑性电极的纳米片规格大约在200～500nm。

(3)所述步骤2的脱合金方法为电化学脱合金化。

(4)所述电化学脱合金化是将步骤1制备的合金条带用作工作电极，采用三电极体系，在0.5mol/L硫酸里面，施加0.6～1.0V电位，时间为5秒～200秒。

(5)上述方法制备的三维自支撑性电极应用在碱性介质(1mol/L)电解水制氢。

本发明提供了一种三维自支撑性电极及其制备方法，本发明先制备制备镍钛铜三元合金，且原子比为镍:钛:铜＝4:1:5，且在0.5mol/L里电化学脱合金利用Ni和Ti在稀硫酸中易阳极钝化从而阻碍刻蚀的特点，对NTiCu中的Cu进行脱合金化，通过刻蚀来调控铜的比例，使得平整的结构转变为多孔、带有纳米片状的三维结构，大大暴露表面的活性位点，促进碱性制氢性能。

本发明的有益效果是：1)多孔三维自支撑电极，无需有机粘合剂和支撑电极；2)原料为非贵金属，价格便宜，来源广泛；3)拥有优越的析氢催化活性，在1mol/L氢氧化钾中，仅需较小的过电位(电流密度为10mA·cm^-2的过电位为48mV)去驱动制氢反应进行，且能够在150mV电位下持续稳定工作12个小时，比现有大多数催化剂的性能和稳定性都好。

附图说明