[发明专利]一种金属钛活化方法、及活化金属钛及应用

说明书

本发明公开了一种金属钛活化方法、及活化金属钛及应用；属于催化材料制备技术领域。本发明的金属钛活化方法，利用等离子体法，同时在金属钛表面施加偏压，将氢或氢同位素注入到金属钛晶格内部。本发明的方法制得的活化金属钛在催化电解水制氢气中的应用。活化金属钛直接作为电极用于催化电解水制氢气；或活化金属钛作为催化剂载体用于催化电解水制氢。本发明设计科学，构思巧妙，本发明创造性地使用等离子体法将氢或其同位素注入到α‑Ti晶格内部，有效提升了钛催化电解水制氢性能。经实验测试，经本发明方法活化后的金属钛样品，能有效提升电催化分解水析氢性能，当其作为催化剂载体使用时，亦可显著提升催化体系的反应活性。

技术领域

本发明属于催化材料制备技术领域，具体涉及一种金属钛活化方法、及活化金属钛及应用。

背景技术

开发清洁和可持续的化石燃料替代品是当今能源研究领域的一个关键议题。对于氢气等高价值能源载体的转化合成过程，催化剂起着核心作用。好的催化剂意味着更高的转化效率与更低的能量消耗。

然而，当前在电催化制氢等领域所采用的高性能催化剂一般以Pt、Pb、Rh等贵金属为主。贵金属催化材料成本较高，限制了其大规模应用。因此，制备低成本、高性能的催化材料对于新能源上游行业的发展是一个重点、难点问题。

发明内容

本发明的目的之一在于，提供一种金属钛活化方法，该方法能大幅提升金属钛的电催化分解水析氢性能，并且具有较好的稳定性。

本发明的目的之二在于，提供采用该活化方法制得的活化金属钛。

本发明的目的之三在于，提供活化金属钛的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种金属钛活化方法，利用等离子体法，同时在金属钛表面施加偏压，将氢或氢同位素注入到金属钛晶格内部。

本发明方法简单可控、环保友好，将氢或其同位素注入金属钛晶格内部，有效改变了金属钛的局域电子结构，可通过改变催化反应中原子表面的电荷分布来降低反应能垒，达到提升催化活性的效果。

本发明的部分实施方案中，所述金属钛活化方法包括以下步骤：

步骤1.将洁净的金属钛固定于等离子体处理装置中，并使其处理面垂直于等离子体光束方向；

步骤2.将等离子体处理装置抽真空；

步骤3.通入氢气或其同位素气体，打开等离子体电源，然后对金属钛表面施加偏压，进行等离子体注入处理；

步骤4.注入完成后，进行曝气、取样作业，即得活化后的金属钛。

本发明的部分实施方案中，所述洁净的金属钛为金属钛经超声清洗，真空干燥后所得。

本发明的部分实施方案中，所述步骤2中，先使用机械泵将系统真空度抽至100Pa以下，再打开分子泵进行抽真空作业，使系统真空度小于5×10^-4Pa。

本发明中，通过抽真空以保证等离子体纯度。

本发明的部分实施方案中，所述步骤3中，氢气或其同位素气体的流量为1-3sccm，或/和等离子体电源功率为100-600W，或/和偏压大小为0-300V负电压。

本发明的部分实施方案中，在等离子体注入处理过程中，氢离子或其同位素离子的能量大于3eV，或/和流通量大于10¹⁹ions/m²·s。

本发明的部分实施方案中，等离子体注入处理过程中，金属钛表面温度低于400℃。本发明发现，金属钛氢注入后具有较好的环境稳定性，在400℃以上才会发生脱附。本发明的部分实施方案中，所述步骤3中，等离子体注入处理的时间为0.5-3小时，优选为2小时。