[发明专利]一种活性电解水电极及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种非晶态合金电解水电极催化材料，通过选取导电性优良的泡沫金属作为基底，在其表面制备一层多元非晶态合金材料，通过多种元素之间的协同效应，极大的提高了析氢电极的催化性能。同时，通过电沉积原位生长方法，改善了催化材料与基底材料的结合问题。制备的整体式催化电极实现了高效的水解析氢催化，并在大电流密度的工况下仍然保持极高的活性和稳定性，具有很好的工业应用前景和商业价值。解决了目前电解水析氢催化剂成本高昂、活性不足、导电性差、以及在大电流密度下稳定性差等问题。

技术领域

本发明属于材料科学与技术领域，具体涉及一种非晶态合金整体式催化电极的制备方法与应用

背景技术

氢气因为其极高的能量密度(283kJ·mol-1)和洁净的燃烧产物(水)，可作为一种清洁能源用于燃料电池等能源领域，是一种理想的绿色燃料。传统的氢气制造业通过对石化能源的转化制备，如天然气脱氢、水煤气以及醇类重整技术等，但此类技术不仅消耗了大量的化石能源，并且往往伴着高能耗、高污染、高投入和低纯度等缺点。电解水技术是一项绿色、环保、高效的可再生制氢策略。然而，高效的电解水过程需要采用活性催化电极材料来降低制氢过程中的多余能耗。目前，电解水析氢(HER)所使用的催化剂主要为铂基贵金属催化剂，由此产生的高额成本极大的限制了电解水制氢技术的普及，截止到2019年，电解水制氢仅占我国制氢产业中的4％份额。此外，催化材料在大电流等极端工况下的活性、稳定性也是制约其大规模商用的另一重要因素。因此，开发一种非贵金属基、高活性、高稳定性、适合大电流工况运行的电解水催化阴极是极具商业价值的。

镍、钴等过渡金属元素，由于其独特的电子结构和较为丰富的地壳储量，极其适合作为活性析氢阴极材料。但单质态的过渡金属在析氢过程中，表面吸附能较低，不利于析氢反应。需要通过多元合金化进行调配，优化其吸附态中间产物的吸氢效应。此外，过渡金属合金在储藏使用过程中极度容易被氧化，造成催化材料的中毒失活，影响其性能，因此，需要进一步提高材料的抗氧化能力，从而保证其寿命。并且，由于电化学析氢过程为一个液-固-气三相界面参与的反应，催化电极本身不但需要具备良好的催化活性，还要求电极具有良好的导电能力和三维多孔结构，以提高反应物、产物的传质过程以及气体扩散过程。这一特性在大电流工况下尤其重要，需要对催化电极的整体结构和表面进行优化和处理。最后，目前电解水制氢主要在碱性电解质中进行，以提高其导电性，但强碱溶液对电解槽、管路等都有很大程度的腐蚀，因此，开发适合中性或弱碱性体系的高效整体式催化电极是电解水制氢的另一技术难题。

综上所述，目前尚缺乏完全满足以上要求的整体式活性电极，且目前活性催化材料的制备工艺复杂，如高温煅烧，离子溅射，多步化学合成等，不适宜大规模商业化生产。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种非晶态多元过渡金属合金催化整体式电极的制备方法，以泡沫金属为导电基底，采用电沉积方法制备活性镀层，制备所得的整体式催化电极应用于碱性、中性电解水析氢反应中，具有较高的催化活性，并且该催化剂在大电流情况下可以保证长时间的高活性，具有良好的稳定性。

本发明采用的技术手段如下：

一种电解水材料，所述电解水材料以导电多孔泡沫金属为基底，基底表面沉积有合金催化材料；所述合金催化材料为非晶态多元过渡金属合金。合金催化材料通过电沉积(电镀)方法生长于导电多孔泡沫金属基底表面，与导电基底以化学键合形式结合，具有较强附着力和稳定性。整体式电解水材料在导电基底上以自支撑形式生长，无需添加粘合剂。

进一步地，泡沫金属为泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛或泡沫合金中的至少一种，泡沫金属的孔径为50～700PPI，厚度为1～20mm；非晶态合金为钴基、镍基、钼基或铁基合金。