[发明专利]一种用于电解水的镍基分级结构一体化电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于电解水的镍基分级结构一体化电极及其制备方法，首先将商业镍网置于HCl溶液中，进行电化学刻蚀，得到表面凹凸不平的E‑NM电极；然后将得到的电极材料E‑NM放置在水槽内，电磁铁放置在水槽底部，施加一垂直于E‑NM的电磁场，将一定浓度的镍基金属无机盐溶液与水合肼溶液在水槽内混合，在一定温度下反应，经过洗涤、干燥后得到Ni NWs/E‑NM电极；最后将得到的电极NiNWs/E‑NM置于一定浓度的镍基金属无机盐电解质溶液中，进行电化学沉积，在Ni NWs/E‑NM电极表面电化学沉积上金属单质镍纳米颗粒，经过洗涤、干燥后得到高活性面积Ni/Ni NWs/E‑NM电极。在超长纳米线阵列上沉积Ni纳米颗粒，形成明确的分级结构“纳米线上长纳米颗粒”，赋予了电极较高的电催化性能。

技术领域

本发明属于电解水制氢储能技术领域，具体涉及一种用于电解水的镍基分级结构一体化电极及其制备方法。

背景技术

日益增长的能源需求和化石燃料的不可避免的损耗促使人们寻求对环境友好的，可再生的和清洁的替代能源，并寻求有效的提取能源的新方法。氢气具有较高的能量密度(143MJ·kg^-1)和唯一的燃烧产物H₂O，是实现能源可持续发展的一种极具前景的燃料。电解水是一种成熟的商业技术，用于生产零碳排放的清洁能源。虽然将其耦合到光伏组件上用于直接太阳能制氢的电解槽应该是出色的能源转换系统，但大规模生产高纯度氢气仍然很困难，由于其强烈的上坡反应需要显著大于理论电解电势的过电位。这种过电位与电催化剂的在电解水过程中的催化活性有关，因此，实际应用中必须使用最活跃的电催化剂来减少电极的过电位，以确保产氢过程更加节能、高效。目前，贵金属催化剂依然是最先进的催化剂，分别可使HER和OER达到较低的过电势。但是，贵金属昂贵的成本和稀缺的含量限制了它们的大规模的开发利用。而且，这些贵金属催化剂在持久的高电流密度下表现出稳定性差的缺点，使其远远不能满足规模化制氢的需求。因此，人们迫切需要开发一种具有高活性和稳定性的低成本电催化材料的制备方法。提高材料催化性能的方法很多，如提高材料本身的导电性，如金属单质及合金，来进一步增强电子传输，从而提高催化活性。金属镍具有较高的电导率，且比氢氧化物和氧化物大10个数量级。除了提高催化剂的本征活性之外，合理设计和构建具有开放式结构的层次化纳米材料进一步增强电催化活性，由于其独特的高表面积的结构优势，为电化学过程中的质量和电荷传输提供了有效的离子扩散途径，引起了人们的广泛关注。近些年研究表明，对于层次化分级结构与多元化合物结合的研究较多，但将开放式结构的层次化纳米材料与金属单质结合起来的研究受到很少的关注。这种结合不仅具有高的金属导电性和同质之间稳定性，还利用层次化结构提高其催化活性，因此研究其电化学分解水的催化性能将是一个很有意义的课题。镍作为典型的过渡金属元素，因其在地球中储量丰富，较高的稳定性以及耐腐蚀的诸多优点而成为优异的商业化电催化材料且在电化学催化方面表现出优异的性能。本文提出了一种利用电磁场作用在电化学刻蚀过的镍网表面生长Ni纳米线阵列且经过电沉积进一步增强电解水的催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提升应用于电解水的电解槽电极材料的性能，通过利用电化学手段对镍网电极材料进行改性形成多维分级结构，并将其应用于电解水制氢工业。解决了用于电解水的传统支撑体电极材料(镍网)出现的高消耗低输出和低活性等难题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于电解水的镍基分级结构一体化电极的制备方法，包括经过电化学刻蚀的镍网，在镍网上利用电磁场作用形成的单质镍纳米线阵列结构，以及对镍纳米线表面电沉积形成的镍纳米颗粒。

本发明涉及的一种用于电解水的镍基分级结构一体化电极的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)电化学刻蚀形成一级结构——粗糙镍网基底：将商业镍网(标记为E-NM)置于HCl溶液中，进行电化学刻蚀，得到表面凹凸不平的E-NM电极；