[发明专利]一种用于电解水的多级结构电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于电解水的多级结构电极及其制备方法，首先经过电化学刻蚀得到一级结构粗糙镍网，根据不同应用目的，在粗糙镍网表面沉积铁系双金属及其合金，再在碱性电解质中进行电化学氧化使其表面形成铁系双金属羟基氧化物得到三级结构。该法使镍网表面的粗糙度增加，增加了锚定位点，再通过多级结构之间的协同效应，在实现高效的催化活性的同时保持持久的耐久性，比负载的单级或双级结构性能更优。当分解电压达到2.0V时，电流密度最大可达到10000A/m²以上；活化之后的稳定性测试是在6000A/m²的电流密度下持续制氢超过100h后性能保持基本不变。该方法制备的电极材料显示出优异的催化活性和稳定性，非常适用于电解水用电解槽的工业化应用。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及在一种用于电解水的多级结构电极及其制备方法，该方法改进的电极材料可稳定应用于大电流密度下的电解水工业。

背景技术

由于化石燃料的不可再生性，人们对能源和环境问题的日益关注促使人们寻找绿色可再生能源来替代化石燃料。作为一种清洁和可再生能源，氢气显示出巨大的潜力。常用电解水制氢工艺受限于电解成本一直发展缓慢，寻找高效的电催化剂来加速电解水反应是解决上述技术难题的有效方式。理想催化剂通常具有较低的活化能势垒，在较低的过电位值下可以驱动较大的电流密度。目前，铂基催化剂和氧化钌或氧化铱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。其中包括利用过渡金属氢氧化物、羟基氧化物、硫化物、磷化物、硒化物等作为电极材料。在这其中，双金属化合物较单金属化合物往往表现出更好的催化活性，特别是NiFe、CoFe基化合物(主要包括镍铁、钴铁氢氧化物、羟基氧化物)显示出优异的OER活性，而NiCo、NiMo基化合物则显示出极高的HER催化活性。除了提高催化剂的本征活性之外，合理地构建纳米材料的结构也是提升催化性能的重要手段，核壳结构是制备高活性和持久稳定性催化剂的重要合成手段，该结构在电解水分解过程中具有高效率和耐久性。通过合理的构建，利用高导电性、高稳定性合金化合物作为内核，催化活性较高、活性位点更多的双金属氢氧化物为外壳，通过核壳之间的协同效应即可实现高效的催化活性，又可以保持持久的耐久性。但据大多数报道，这些催化性能优异的催化剂合成方法多为高温水热合成法、高温气相沉积法、共沉淀法等，这些方法的缺点在于成本较高、反应条件苛刻，环境污染等。近几年，利用电化学法制备金属化合物被认为是一种快捷有效的实验方法，该方法所需的成本较传统的水热合成法成本更低、制备过程简单、合成效率更高。合成出来的产品可控性更好，稳定性更高，而且其具备大规模量产的可能性更大等优势。经过调研发现，迄今为止大多数报道的电催化剂通常在低电流密度下运行(大多在2000～4000A/cm²)，而工业电解水需要在大电流密度下持续运行(一般要大于5000A/cm²)，虽然也有报道的催化剂可以驱动大电流密度电解水，但是其耐久性往往只能维持在十几个小时，远不能达到工业级标准的数百小时的要求。

发明内容

本发明的目的在于提升电解水用电解槽电极材料的性能，通过利用电化学手段对以镍网为代表的电极材料进行改性形成多级结构，并将其应用于大电流密度下电解水制氢工业。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高稳定性低活性等难题。同时解决了在支撑体上形成多级结构存在的工艺繁琐，成本高昂，产品稳定性差等问题。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种用于电解水的多级结构电极，包括经过电化学刻蚀的镍网，在镍网上电化学沉积形成的铁系双金属及其合金，以及对铁系双金属及其合金表层进行电化学氧化形成的片层状铁系双金属羟基化合物，所述铁系双金属中的至少一种金属为铁系金属，即为Fe、Co和Ni中的至少一种。

本发明涉及的一种用于电解水的多级结构电极的制备方法，具体包括以下步骤：