CN106319558A - 一种高效多孔的MoS2‑Zn析氢电极及其制备方法 - Google Patents

一种高效多孔的MoS2‑Zn析氢电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高效多孔的MoS2‑Zn析氢电极，所述电极采用纳米二硫化钼颗粒作为钼元素来源，采用复合电沉积的方式，将纳米二硫化钼颗粒连同Ni元素及Zn元素一起沉积到导电基底的表层，电沉积完毕后，再经过氢氧化钾溶液水浴恒温处理，从而制备出高效多孔的MoS2‑Zn析氢电极。还涉及该高效多孔的MoS2‑Zn析氢电极制备方法，包括以下步骤：(1)导电基底的预处理；(2)复合电沉积纳米二硫化钼颗粒；(3)将复合电沉积的电极经过碱液在恒温水浴锅内进行恒温水浴处理，以除掉Zn元素。本发明方法操作简单、生产成本低廉且催化层结构牢靠，采用该方法所制备成的析氢催化活性电极，可广泛应用于碱性水电解工业。

Description

一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极及其制备方法
技术领域
本发明属于氢气的制备领域，特别是一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极及其制备方法。
背景技术
随着经济不断进步发展，能源已成为人类生活中必不可少的部分，人类对于能源的需求也在不断增加。目前人类利用的主要能源有石油、煤、天然气等化石燃料。随着环境污染和化石燃料储备告急这两大问题的日益凸显，全世界都将研究重心转向开发以氢能为代表的可再生型清洁新能源。可再生型清洁新能源的特点是取之不尽用之不竭，既能能缓解环境压力，又能满足当今经济发展的要求。在众多新能源中，氢因其具有来源丰富、密度小、能量密度高、绿色环保、储存方式和利用形式多样等特点成为最具开发潜力的新能源。
目前，制氢技术主要包括：化石燃料制氢、生物制氢、太阳能制氢、电解水制氢。其中，90％的氢气来源于石化工业和氨合成法；而水电解方式制备的氢气不足5％。化石燃料制氢是目前主要的制氢方法，占全世界制氢总量的96％。工业制氢的方法主要有天然气重整、甲醇水蒸气重整、碳氢化合物的部分氧化与煤的气化等。利用化石燃料的制氢工艺较为简单，容易操作。目前这项技术相对成熟。但是化石燃料制氢会带来严重的环境污染问题。化石燃料制氢过程会释放大量二氧化碳气体以及其他污染物，对环境造成污染，导致全球气候恶化。据估计我国未来100年可供开采的化石燃料将耗尽；近年来燃料价格不断攀升，致使化石燃料制氢的成本提高。虽然现在也发展出利用化石燃料制氢而不产二氧化碳气体的方法，但是这种方法还在发展阶段且制氢成本较高。
随着太阳能、风能、核能大量用于发电，电解制氢成本将持续下降。水电解制氢也是一种能产生高纯度氢气的环保无污染技术。因此，低成本、绿色化、高效率的水电解制氢将成为未来制氢工业的核心技术。目前水电解制氢技术中，碱性水电解制氢是最成熟、最经济的电解制氢方式。但是目前碱性水电解技术消耗大量能量这一特点限制了它的大规模应用。因而，目前碱性水电解技术的大规模推广应用面临的挑战是：如何降低能耗，提高效率。而影响能耗的关键因素在于碱性水电解中电解槽析氢阴极的催化析氢活性。碱性电解水在电解过程水中需要大量的电能，所以在三种常用技术中其能耗最大，因此受到一定的限制。目前降低其能耗是碱性电解水技术的首要目标。在通常情况下电解水需要其他能源供给电能，使用化石燃料提供电能的同时会释放大量污染物及气体。太阳能电池给电解水提供电能是一种可行性较高的技术，其能量利用率已达到93％以上，但是由于太阳能电池的造价较贵，大规模应用目前还无法达到。探究碱性电解水与可再生能源相结合的技术发展将是今后研究的重点。电解水中的核心为电解槽，提高电解槽效率的核心为电极材料。
研究价格低廉且具有良好析氢催化活性的电极在制氢过程中是非常重要的。目前常用的析氢材料有贵金属材料、铁及铁基合金、镍及镍合金等。最早期的析氢阴极主要研究铂、钯等贵金属及其合金，这类材料具有良好的析氢反应催化活性且析氢过电位低，是研究最为深入的析氢阴极材料，但这类金属造价昂贵而限制其工业发展；而镍及镍合金在析氢反应过程中表现出较高的初始电催化活性。因此，可以通过增大实际表面积以及提高电极材料的内部活性来增强电极析氢催化活性。多年来，为降低电解析氢电极的过电位、提高电催化析氢活性、降低能耗，许多科技研究工作者围绕能量因素和几何因素，开发了许多新的析氢电极材料。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极及其制备方法，克服现有技术制备析氢电极能量消耗高、工业化生产困难的问题。
一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极，其特征在于：所述电极采用纳米二硫化钼颗粒作为钼元素来源，采用复合电沉积的方式，将纳米二硫化钼颗粒连同Ni元素及Zn元素一起沉积到导电基底的表层，电沉积完毕后，再经过氢氧化钾溶液水浴恒温处理，从而制备出高效多孔的MoS2-Zn析氢电极。
而且，所述的导电基底为泡沫镍或镍板表层。
而且，所述的纳米二硫化钼颗粒粒径在10～100nm。
一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)导电基底的预处理；
(2)复合电沉积纳米二硫化钼颗粒；
(3)将复合电沉积的电极经过碱液在恒温水浴锅内进行恒温水浴处理，以除掉Zn元素；
而且，所述导电基底的预处理方法为：
当基体为泡沫镍时，需要利用电解液进行电解除油处理：先后将泡沫镍作为阴极和阳极，放置于电解液中，分别电解15min，电流密度均为40mA·cm-2，反复用去离子水冲洗经过除油处理的电极，至pH值为中性，之后将除油后的泡沫镍利用酸洗液进行酸洗处理：放入酸液中浸泡30min，之后用去离子水冲洗直至pH为中性，待用；
当基体为镍板时，对镍板利用碱洗液进行碱洗除油处理：其步骤是将碱洗液置于恒温水浴锅升温至100℃，后把机械加工的镍板放入其中，恒温处理1h后，用去离子水冲洗干净，之后将除油后的镍板利用酸洗液进行酸洗处理：放入酸液中浸泡30min，之后用去离子水冲洗直至pH为中性，待用。
而且，所述电解液的成份为：氢氧化钠40g·L-1，碳酸钠25g·L-1，磷酸钠25g·L-1。
而且，所述碱洗液的配方为：质量分数10％的氢氧化钠、质量分数2％的碳酸钠。
而且，所述酸洗液的配置方法为将浓盐酸和去离子水按照1:2的体积比混合。
而且，所述复合电沉积纳米二硫化钼颗粒的方法为：
采用三电极体系，以预处理好的导电基底为工作电极，与导电基底相对应的镍板或泡沫镍为对电极；
镀液的成分为：
硫酸镍60～120g·L-1，硫酸锌20～35g·L-1，无水乙酸钠5～25g·L-1，柠檬酸钠15～35g·L-1，氯化铵5～25g·L-1，硼酸5～15g·L-1，纳米二硫化钼颗粒1～10g·L-1；
镀液温度为20～30℃；电镀过程中，电流密度为100～400mA·cm-2，沉积时间为10～50min；电镀过程中，为保证二硫化钼颗粒在沉积液中分散均匀，在电解槽的底部进行适宜转速的磁力搅拌，电镀结束后用去离子水冲洗，以去除残留镀液，自然风干后得到MoS2-Zn电极。
而且，所述步骤(3)中的碱液为质量分数为15％～25％的氢氧化钾溶液，恒温水浴锅温度控制在60～100℃，恒温水浴时间为12～36h。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明制备的电极真实表面积大，催化析氢活性高。此方法利用复合电沉积技术，把纳米二硫化钼颗粒，均匀夹在电极基体的复合涂层中。再通过碱液浸泡，除去金属锌，从而使其表面形成多孔状结构，增大了电极的真实表面积和比表面积，从而为析氢反应提供更多的反应活性位点。且二硫化钼的引入，提高了析氢活性，同时电极表面形成纳米片层结构，提供了更多活性位点。
2.本发明的电极稳定性较好。在本发明中，复合电沉积的方法将纳米二硫化钼颗粒均匀夹在镍板或泡沫镍表层的复合涂层中，从而改善了二硫化钼颗粒在析氢反应过程中的脱落现象，提高了电极的稳定性。
附图说明
图1为实施例1制备的MoS2-Zn电极的扫描电镜图片；
图2为实施例1所制备电极、实施例2所制备电极、实施例3所制备电极和工业泡沫镍的电极的极化曲线；测试方法为线性电势扫描法，测试条件：三电极体系，所制备电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂片为辅助电极，电解液采用质量浓度30％的KOH溶液，扫描速率为1mV·S-1，扫描范围为-0.8V至-1.50V；
图3为实施例1所制备电极、实施例2所制备电极、实施例3所制备电极和工业泡沫镍的电极的稳定性测试图；测试方法用实施例与工业泡沫镍做阴极，阳极均为工业泡沫镍，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，测试条件：恒温水浴80℃，电流密度1280A·m-2，持续电解时间为12h。
具体实施方式
下面结合附图、通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
(1)导电基底的预处理
基体选取泡沫镍，将泡沫镍剪裁为2.5cm·4.0cm的大小，去离子水冲洗干净备用。首先对剪裁好的泡沫镍进行电解除油；先后将泡沫镍作为阴极和阳极，放置于电解液中，分别电解15min，电流密度均为40mA·cm-2。电解液配方为：氢氧化钠40g·L-1，碳酸钠25g·L-1，磷酸钠25g·L-1。经过除油处理的电极，反复用去离子水冲洗至pH值为中性。之后将电解除油后的泡沫镍进行酸洗处理：放入酸液中浸泡30min，之后用去离子水冲洗直至pH为中性，待用。酸洗液配置方法为将浓盐酸和去离子水按照1:2的体积比混合。
(2)复合电沉积MoS2-Zn涂层
以步骤(1)处理好的导电基底为工作电极，泡沫镍为对电极；
镀液的组成为：硫酸镍60g·L-1，硫酸锌35g·L-1，无水乙酸钠15g·L-1，柠檬酸钠15g·L-1，氯化铵5g·L-1，硼酸5g·L-1，纳米二硫化钼颗粒4g·L-1；
镀液温度为25℃，电镀过程中，电流密度为100mA·cm-2，沉积时间为50min。
电镀过程中，为保证二硫化钼颗粒在沉积液中分散均匀，在电解槽的底部进行适宜转速的磁力搅拌。电镀结束后用去离子水冲洗，以去除残留镀液，自然风干后得到MoS2-Zn电极。
(3)将复合电沉积之后的电极经过氢氧化钾溶液恒温水浴处理，以除掉Zn元素将复合电沉积之后泡沫镍，浸泡于质量分数为15％的KOH溶液中，水浴恒温处理24h，水浴锅温度设定为100℃，处理完成后，用去离子水反复冲洗电极至pH为中性，得到MoS2-Zn多孔电极。
(4)MoS2-Zn多孔纳米片电极的表观形貌
利用XL30E型环境扫描电子显微镜对制备好的MoS2-Zn多孔纳米片电极的形貌进行观测，得到扫描电镜(SEM)照片如图1。
(5)MoS2-Zn多孔纳米片电极的析氢性能测试
采用线性电势扫描的测试方法对工业用纯镍电极和步骤(3)中制备的多孔电极进行性能测试。采用三电极体系，所制备电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂片为辅助电极，电解液采用质量浓度30％的KOH溶液，扫描速率为1mV·S-1，扫描范围为-0.8V至-1.5V。在电化学工作站上(PARSTAT-2273，美国Princeton Applied Resrarch公司)测试其析氢性能，测试结果对应图2。
(6)MoS2-Zn多孔纳米片电极的稳定性测试
采用三电极体系，所制备的电极为阴极，工业泡沫镍为阳极，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，在电流密度1280A·m-2的条件下，预电解48h，之后对所制备的电极进行稳定性测试。测试条件：所制备的电极为阴极，阳极为工业泡沫镍，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，恒温水浴80℃，电流密度1280A·m-2，持续电解时间为6h。
实施例2
步骤(1)同实施例1中的步骤(1)；
(2)复合电沉积MoS2-Zn涂层
以步骤(1)处理好的导电基底为工作电极，泡沫镍为对电极；
镀液的组成为：硫酸镍100g·L-1，硫酸锌20g·L-1，无水乙酸钠5g·L-1，柠檬酸钠25g·L-1，氯化铵15g·L-1，硼酸15g·L-1，纳米二硫化钼颗粒10g·L-1；
镀液温度为20℃，电镀过程中，电流密度为250mA·cm-2，沉积时间为30min。
电镀过程中，为保证二硫化钼颗粒在沉积液中分散均匀，在电解槽的底部进行适宜转速的磁力搅拌。电镀结束后用去离子水冲洗，以去除残留镀液，自然风干后得到MoS2-Zn电极。
(3)将复合电沉积之后的电极经过氢氧化钾溶液恒温水浴处理，以除掉Zn元素
将复合电沉积之后泡沫镍，浸泡于质量分数为25％的KOH溶液中，水浴恒温处理12h。水浴锅温度设定为80℃。处理完成后，用去离子水反复冲洗电极至pH为中性，得到MoS2-Zn多孔电极。
(4)MoS2-Zn多孔纳米片电极的表观形貌
利用XL30E型环境扫描电子显微镜对制备好的MoS2-Zn多孔纳米片电极的形貌进行观测，得到扫描电镜(SEM)照片如图1。
(5)MoS2-Zn多孔纳米片电极的析氢性能测试
采用线性电势扫描的测试方法对工业用纯镍电极和步骤(3)中制备的多孔电极进行性能测试。采用三电极体系，所制备电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂片为辅助电极，电解液采用质量浓度30％的KOH溶液，扫描速率为1mV·S-1，扫描范围为-0.8V至-1.5V。在电化学工作站上(PARSTAT-2273，美国Princeton Applied Resrarch公司)测试其析氢性能，测试结果对应图2。
(6)MoS2-Zn多孔纳米片电极的稳定性测试
采用三电极体系，所制备的电极为阴极，工业泡沫镍为阳极，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，在电流密度1280A·m-2的条件下，预电解48h，之后对所制备的电极进行稳定性测试。测试条件：所制备的电极为阴极，阳极为工业泡沫镍，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，恒温水浴800℃，电流密度1280A·m-2，持续电解时间为6h。
实施例3
步骤(1)同实施例1中的步骤(1)；
(2)复合电沉积MoS2-Zn涂层
以步骤(1)处理好的导电基底为工作电极，泡沫镍为对电极；
镀液的组成为：硫酸镍120g·L-1，硫酸锌20g·L-1，无水乙酸钠25g·L-1，柠檬酸钠20g·L-1，氯化铵15g·L-1，硼酸15g·L-1，纳米二硫化钼颗粒2g·L-1；
镀液温度为25℃，电镀过程中，电流密度为400mA·cm-2，沉积时间为40min。
电镀过程中，为保证二硫化钼颗粒在沉积液中分散均匀，在电解槽的底部进行适宜转速的磁力搅拌。电镀结束后用去离子水冲洗，以去除残留镀液，自然风干后得到MoS2-Zn电极。
(3)将复合电沉积之后的电极经过氢氧化钾溶液恒温水浴处理，以除掉Zn元素
将复合电沉积之后泡沫镍，浸泡于质量分数为20％的KOH溶液中，水浴恒温处理36h，水浴锅温度设定为60℃。处理完成后，用去离子水反复冲洗电极至pH为中性，得到MoS2-Zn多孔电极。
(4)MoS2-Zn多孔纳米片电极的表观形貌
利用XL30E型环境扫描电子显微镜对制备好的MoS2-Zn多孔纳米片电极的形貌进行观测，得到扫描电镜(SEM)照片如图1。
(5)MoS2-Zn多孔纳米片电极的析氢性能测试
采用线性电势扫描的测试方法对工业用纯镍电极和步骤(3)中制备的多孔电极进行性能测试。采用三电极体系，所制备电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂片为辅助电极，电解液采用质量浓度30％的KOH溶液，扫描速率为1mV·S-1，扫描范围为-0.8V至-1.5V。在电化学工作站上(PARSTAT-2273，美国Princeton Applied Resrarch公司)测试其析氢性能，测试结果对应图2。
(6)MoS2-Zn多孔纳米片电极的稳定性测试
用所制备的电极为阴极，工业泡沫镍为阳极，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，在电流密度1280A·m-2的条件下，预电解48h，之后对所制备的电极进行稳定性测试。测试条件：施例1所制备的电极为阴极，阳极为工业泡沫镍，电解液为质量分数为30％的氢氧化钾溶液，恒温水浴80℃，电流密度1280A·m-2，持续电解时间为6h。
尽管上文结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅为示意性，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极，其特征在于：所述电极采用纳米二硫化钼颗粒作为钼元素来源，采用复合电沉积的方式，将纳米二硫化钼颗粒连同Ni元素及Zn元素一起沉积到导电基底的表层，电沉积完毕后，再经过氢氧化钾溶液水浴恒温处理，从而制备出高效多孔的MoS2-Zn析氢电极。
2.根据权利要求1所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极，其特征在于：所述的导电基底为泡沫镍或镍板表层。
3.根据权利要求1所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极，其特征在于：所述的纳米二硫化钼颗粒粒径在10～100nm。
4.一种根据权利要求1所述的高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)导电基底的预处理；
(2)复合电沉积纳米二硫化钼颗粒；
(3)将复合电沉积的电极经过碱液在恒温水浴锅内进行恒温水浴处理，以除掉Zn元素。
5.根据权利要求4所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中导电基底的预处理方法为：
当基体为泡沫镍时，需要利用电解液进行电解除油处理：先后将泡沫镍作为阴极和阳极，放置于电解液中，分别电解15min，电流密度均为40mA·cm-2，反复用去离子水冲洗经过除油处理的电极，至pH值为中性，之后将除油后的泡沫镍利用酸洗液进行酸洗处理：放入酸液中浸泡30min，之后用去离子水冲洗直至pH为中性，待用；
当基体为镍板时，对镍板利用碱洗液进行碱洗除油处理：其步骤是将碱洗液置于恒温水浴锅升温至100℃，后把机械加工的镍板放入其中，恒温处理1h后，用去离子水冲洗干净，之后将除油后的镍板利用酸洗液进行酸洗处理：放入酸液中浸泡30min，之后用去离子水冲洗直至pH为中性，待用。
6.根据权利要求5所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：所述电解液的成份为：氢氧化钠40g·L-1，碳酸钠25g·L-1，磷酸钠25g·L-1。
7.根据权利要求5所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：所述碱洗液的配方为：质量分数10％的氢氧化钠、质量分数2％的碳酸钠。
8.根据权利要求5所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：所述酸洗液的配置方法为将浓盐酸和去离子水按照1:2的体积比混合。
9.根据权利要求4所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中复合电沉积纳米二硫化钼颗粒的方法为：
采用三电极体系，以预处理好的导电基底为工作电极，与导电基底相对应的镍板或泡沫镍为对电极；
镀液的成分为：
硫酸镍60～120g·L-1，硫酸锌20～35g·L-1，无水乙酸钠5～25g·L-1，柠檬酸钠15～35g·L-1，氯化铵5～25g·L-1，硼酸5～15g·L-1，纳米二硫化钼颗粒1～10g·L-1；
镀液温度为20～30℃；电镀过程中，电流密度为100～400mA·cm-2，沉积时间为10～50min；电镀过程中，为保证二硫化钼颗粒在沉积液中分散均匀，在电解槽的底部进行适宜转速的磁力搅拌，电镀结束后用去离子水冲洗，以去除残留镀液，自然风干后得到MoS2-Zn电极。
10.根据权利要求4所述的一种高效多孔的MoS2-Zn析氢电极制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的碱液为质量分数为15％～25％的氢氧化钾溶液，恒温水浴锅温度控制在60～100℃，恒温水浴时间为12～36h。
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