[发明专利]一种电缆结构铁镍铬双功能电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及氢能技术领域，提供一种电缆结构铁镍铬双功能电极材料及其制备方法。该电缆结构铁镍铬双功能电极材料，其特征是以铁网的骨架为内芯，在铁骨架上是紧密结合的镍以及镍铬双金属复合外层，外层中镍含量在60％以上。该材料内芯采用铁材质降低了成本，同时镍铬外层也提高了材料的耐腐蚀性能，避免了铁与电解液直接接触减少了铁在高温强碱性下的溶出。该材料作为电解水电极，具备对析氧反应、析氧反应双功能电催化性能。该电缆结构电极材料的通过以下方法制备，首先将铁网进行碱性除油、酸洗除氧化物和预镀镍层，然后在含有一定浓度的镍盐和铬盐中进行电镀，最后在含有微量氢气的惰性气体中进行程序升温热处理，得到铁镍铬三元金属电缆结构复合材料。

技术领域

本发明涉及氢能技术领域，尤其涉及一种电缆结构铁镍铬双功能电极材料及其制备方法。

背景技术

电解水制氢是未来获取绿氢的重要途径，电解水制氢方式包括质子交换膜电解水制氢，碱性水电解制氢、碱性阴离子交换膜电解水制氢和固体氧化物电解水制氢四种方式。质子交换膜电解水制氢依赖于资源稀缺、价格昂贵的Pt/Ir/Ru催化剂等，大规模利用受到限制。碱性水电解制氢是当前商业化电解制氢的主要方式，具备无需贵金属催化剂、规模化程度高、成本相对低的显著优点。但是，碱性水电解槽电极上电流密度低，过电位相对高，导致了高的电耗和低的单位面积产氢速率。目前，碱性水电解制氢的析氧阳极、析氢阴极普遍采用镍基材料，例如斜纹镍网、菱形镍网、泡沫镍网或多孔雷尼镍等。当前镍基材料虽然成本相对低，易于商业化大规模用，但存在电流密度低、过电压损失相对高的缺点。

除了形貌和结构上的改进，添加其他元素是进一步提高镍基材料的析氧或析氢性能的主要手段。添加铁进入镍基材料是提高其析氧反应(OER)催化性能的关键手段，可以大幅降低纯镍的OER过电位，提高电流密度。电解水制氢领域知名研究机构中船重工七一八研究所通过中国专利CN202210686366.3报道了一种镍铁合金高效析氧电极的制备方法，包括以下步骤：对镍丝网基体进行预处理；对预处理后的镍丝网基体施镀。该发明通过优化主盐浓度比,电沉积密度、时间以及温度参数，制备出具有均匀稳定的结构以及组成的Ni-Fe析氧电极。中国专利CN202110090706.1发明公开了属于电解水制取氢气和氧气技术领域的一种自支撑型催化电极的制备方法和应用。包括将镍铁合金浸入含有乙二醇的酸性水溶液中，取出清洗后在空气中晾干的步骤。上述专利无论是镍丝网表面镀镍铁合金，还是通过对镍铁合金进行后处理，均有效提高了处理后的析氧性能。工业上，碱性水电解工作条件相比实验室研究条件要更加严苛，需要镍铁析氧电极载80～100℃下的30％的高浓度强碱里长期大电流密度工作，存在铁元素在实际电解工况下缓慢溶出的情况，而且铁元素会缓慢沉积到阴极上，导致阴极性能下降。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种电缆结构铁镍铬双功能电极材料及其制备方法。本发明提供的材料的特征在于，以廉价的商业铁网的骨架为内芯，在内芯(铁骨架)上是紧密结合的镍以及镍铬双金属复合外层，由内到外形成了铁、镍、镍铬多层电缆结构(Fe@Ni/NiCr)，且外层中镍含量在60％以上。该材料内部采用铁骨架被包在内芯，大幅度减少了铁与高温强碱以及氧气充分接触，大幅度减少了铁元素的溶出。同时，镍铬外层也提高了材料的耐腐蚀性能。且镍为主的镍铬外层和铁内芯，同时提供了该材料优异的电催化析氧性能和析氢性能所需要的镍铬和镍铁催化元素组成，具有优异的双功能电催化活性。

为了实现上述发明目的，该电缆结构铁镍铬双功能电极材料通过以下方法制备：

1)首先将铁网进行碱性除油、酸洗，其中，铁网是斜纹铁网、菱形铁网、泡沫铁或不锈钢网中的一种。预镀镍是在铁网上先镀一层纯镍，改善铁内芯与外层镍铬的相容性和结合力。除油液是丙酮、碳酸钠-氢氧化钠或碳酸钠-硅酸钠当中的一种，除油时间是10～30min，除油温度是室温～80℃。酸洗是用0.1～1M HCl室温处理5～30min，主要是为了去除铁网表面氧化物。