[发明专利]在钢铁表面制备CNTs-多孔镍/氧化镍析氢反应催化剂的方法

说明书

在钢铁表面制备CNTs‑多孔镍/氧化镍析氢反应催化剂的方法，本发明涉及一种用作碱性溶液电解析氢反应催化剂的制备方法。本发明是要解决目前在碱性溶液中非贵金属析氢反应催化剂性能较差的问题。在钢铁表面制备CNTs‑多孔镍/氧化镍析氢反应催化剂的方法：(1)镍铜合金‑CNTs复合电镀溶液的配制；(2)铜浸出液的配制；(3)钢铁前处理；(4)在钢铁表面制备CNTs‑镍铜合金；(5)在钢铁表面制备CNTs‑多孔镍；(6)在钢铁表面制备CNTs‑多孔镍/氧化镍，在钢铁表面制备出具有良好析氢反应催化活性的CNTs‑多孔镍/氧化镍复合催化层，有利于电解析氢反应非贵金属催化剂性能的提高。

技术领域

本发明属于析氢反应催化剂的制备领域，涉及一种在钢铁表面制备用于碱性溶液电解析氢的CNTs-多孔镍/氧化镍析氢反应催化剂的方法。

背景技术

电解水制备高纯氢气是工业制氢的重要手段，其中在碱性溶液中电解制氢研究的更为成熟，应用也更为广泛。在碱性溶液中电解制氢的原理就是以氢氧化钠作为导电盐，碱性溶液中的水分子在阴极还原生成氢原子和氢氧根，氢氧根在阳极发生氧化，生成水分子和氧原子，在阴极还原生成的氢原子将会继续相互结合，最终以氢气的形式释放出来。因此，在电解制氢的过程中，阴极析氢反应催化剂的选择至关重要，不仅会影响水分子还原生成氢原子和氢氧根的反应活化能，而且可以决定氢原子相互结合析出氢气的动力学参数。良好的阴极析氢反应催化剂可以降低水分子还原生成氢原子和氢氧根的反应活化能，也就是提高电荷转移步骤的电化学可逆性，降低析氢过程的电化学极化。正因为如此，选择合适的阴极析氢反应催化剂可以提高电解制氢过程中能量转换的效率，避免电能转换为热能释放出去，从而降低析氢过程的能耗。

然而，目前的析氢反应催化剂中最为有效、可靠的材料是贵金属铂，虽然其可以降低电解析氢的活化能从而节省电能成本，但高企的价格又使得生产企业无力购买。因此，选择有利于降低析氢过程电化学极化的析氢催化剂从而降低能耗，与选择析氢过程电化学极化略大但能降低催化剂投入成本的非贵金属催化剂成为电解制氢领域必须面临的抉择。因此，若能制备出析氢过电位低，而且催化剂投入成本也很低的非贵金属析氢反应催化剂，将能克服电解制氢无法回避的技术难题。

在众多非贵金属析氢反应催化剂中，镍具有较好的催化活性，同时价格适中，因此特别受到电解制氢领域的青睐。然而，其催化活性仍不能满足要求，析氢过电位与贵金属铂相比仍然存在较大差距。因此，目前很多科研机构都对用作电解制氢领域的镍基催化材料产生了浓厚的兴趣，在镍基金属材料的制备改性方面做了很多工作。如果能从几何因素以及能量因素两方面同时对镍基催化剂进行改性的话，制备出催化面积大、电解析氢活化能低的新型镍基催化剂，对析氢反应催化剂的制备领域以及电解制氢领域都将产生深远的影响。

发明内容

本发明是要解决目前用于碱性溶液电解析氢的非贵金属析氢反应催化剂析氢活化能较高、能量转换效率较低的问题，而提供一种在钢铁表面制备用于碱性溶液电解析氢的CNTs-多孔镍/氧化镍析氢反应催化剂的方法。

本发明的在钢铁表面制备CNTs-多孔镍/氧化镍析氢反应催化剂的方法按照以下步骤进行：

(1) 镍铜合金-CNTs复合电镀溶液的配制：a. 称取0.1~2.0 g的十六烷基三甲基溴化铵，加入到800 mL去离子水中，在室温下搅拌20 min之后，加入0.2~1.0 g的碳纳米管；b. 在25 ℃下搅拌0.5 h之后采用超声波细胞粉碎机处理1.5 h；c. 重复步骤b 1~5次；d.按照柠檬酸铵的浓度为35~65 g/L、酒石酸钾钠的浓度为5~30 g/L、硫酸镍的浓度为8~50g/L、硫酸铜的浓度为2~25 g/L的比例，将柠檬酸铵、酒石酸钾钠、硫酸镍和硫酸铜依次加入步骤c处理之后的溶液，调整pH为7.5~8.5，完成镍铜合金-CNTs复合电镀溶液的配制；

(2) 铜浸出液的配制：e. 将10~100 mL的硫酸和10~120 g的硫脲在40~70 ℃的温度下溶于700mL去离子水中，定容至1 L，完成铜浸出液的配制；