CN111293303B - 一种镁水电池阴极及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

一种镁水电池阴极的制备方法，阴极包括析氢催化剂、金属颗粒以及金属载体，载体为泡沫铜、铜网、泡沫镍、镍网、钛网中的一种。所述的析氢催化剂为金属铂纳米颗粒，金属颗粒为锡、铜、银中的一种或两种以上，金属颗粒通过化学沉积的方法负载在泡沫铜、铜网、泡沫镍、镍网、钛网中的一种，催化剂沉积在未覆盖金属颗粒的载体上。与现有的镁水电池阴极相比，本发明具有制备时间短、使用方便、性能稳定等特点。本发明所述应用于镁水电池的阴极，解决了传统阴极制备方法耗时长、价格昂贵、性能不稳定等问题。

Description

一种镁水电池阴极及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于化学电源技术领域，具体涉及一种作为氢析反应的阴极。
技术背景
海洋拥有着丰富的矿物资源、生物资源，是人类主要开发和利用的资源之一，随着建设海洋强国目标的提出，海洋战略地位空前提高。由于开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋方面都需要一些设备进行信息采集、导航定位、监控预警等工作，而这些设备，尤其是深海检测设备需要长期进行，所以需为其提供长期稳定的电能。目前，由于海洋实际工况的限制，为设备长期稳定供电成为制约深海探测技术的技术瓶颈之一。
镁水电池是一种包括镁合金阳极、析氢反应催化剂阴极，以海水为电解质，镁合金作为燃料的电池。结构上，镁水电池最大的优势在于电解液不必随电池携带，放入海水中即可进行反应而放电。此外，镁水电池还有如下优势：(1)由于流动的海水作为电解液，避免了反应产物在阴极附近的大量富集，因此可以减轻产物对阴极造成的极化；(2)流动的海水也可带走电池内部的热量，有效的降低由于温度过高对于阴极反应的影响(3)结构简单、材料廉价、性价比高、质量轻、单位能量密度高、安全性高；(4)通过流道的设计，可以有效的控制由于阴极析氢反应产生的氢气，从而有效的控制电池的浮力。综上所述，镁水电池更适合用于水下设备的供电。
析氢反应阴极是镁水电池的关键部件之一，其基底材料、催化剂的催化活性直接影响着电池的放电性能。目前催化剂在中性环境中活性最高的仍为金属铂。但由于储量低、价格高，铂催化剂大规模使用受到一定的限制。降低催化剂中铂载量可有效降低电极成本，是解决这一问题的关键。一般的Pt/C催化剂可以有效的降低Pt载量，但是由于粘结剂导电性较差，导致催化活性受到一定的影响。在载体上电沉积一层金属颗粒，也是一种有效降低铂载量的方法，但由于工艺较为复杂，因此受到一定的限制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，发明了一种简单快速的方法，制备出催化活性高、铂载量低的镁水析氢阴极。
本发明采用以下技术方案来实现：本发明一方面提供一种镁水电池阴极，所述阴极包括基底和负载在基底上的金属颗粒以及催化剂；所述基底为泡沫铜、铜网、泡沫镍、镍网、钛网中的一种；所述的金属颗粒为锡、铜、银的一种或两种以上；所述催化剂为铂纳米粒子。
基于以上技术方案，优选的，所述的金属颗粒的直径为0.5-2um；所述的铂纳米粒子的直径为10-60nm。
基于以上技术方案，优选的，所述催化剂中，铂载量为1-20ug/cm2，催化剂沉积在未覆盖金属颗粒的载体上：所述阴极催化剂的铂纳米粒子被金属颗粒隔开。
基于以上技术方案，优选的，所述基底为泡沫镍，所述泡沫镍厚度为0.5-2.0mm，面密度为100-300g/m2。
本发明另一方面提供一种上述镁水电池阴极的制备方法，首先将基底置于含有金属颗粒前驱体的溶液中进行化学沉积，使得金属颗粒以阵列方式均匀的沉积在基底表面，然后将负载有金属颗粒的基体浸渍于含有铂盐的溶液中再一次进行化学沉积反应，金属铂颗粒更趋于沉积在基底上，从而实现金属铂颗粒被之前沉积在基底上的金属颗粒隔开，最终实现负载铂颗粒的阴极。所述方法具体包括以下步骤：
(1)金属颗粒的制备：将基体置于含金属颗粒前驱体的溶液中进行化学沉积反应得到负载金属颗粒的基体；所述含金属颗粒前驱体的溶液pH为中性，浓度为100～500mg/L；所述化学沉积反应的温度为30℃-70℃，反应时间为1-4h
(2)镁水阴极的制备：将步骤(1)所得负载有金属颗粒的基体浸渍于含有铂盐的溶液中进行化学沉积反应得到阴极前体，所述含有铂盐的溶液pH值为2-3，所述化学沉积反应温度为30-70℃；反应时间为1-6h；
(3)镁水阴极的后处理：将步骤(2)所得阴极前体取出干燥，得到所述镁水阴极。
基于以上技术方案，优选的，所述步骤(1)所述的金属颗粒前驱体为氯化锡、氯化铜或硝酸银。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)中，所述的铂盐为氯铂酸或氯亚铂酸。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)中，所述的干燥温度为25-40℃，环境湿度为30-50％，干燥时间为1-3h。
本发明再一方面提供一种上述镁水阴极在镁水电池中的应用，所述应用为：镁水阴极作为氢析反应阴极。
有益效果
本发明以泡沫铜、铜网、泡沫镍、镍网、钛网载体中的一种为基底，在其上面通过化学沉积锡、铜、银的一种或二种以上，通过金属颗粒在泡沫镍表面的阵列分布，形成一定的空隙，可以有效的控制铂金属颗粒的尺寸，从而使得负载的金属铂以纳米粒子的形式均匀的分布在载体上，这种方式可以有效的降低铂的载量，最终制备成低铂载量的镁水阴极。该电极析氢具有过电位低、稳定性好的特点，所组装的电池功率密度大，工作时间长。
附图说明
图1实施例1得到的镁水阴极表面示意图，其中：1为泡沫镍基底，2为金属铜颗粒，3为铂纳米粒子。
图2为所制备的阴极所组装镁水电池的放电性能图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，列举一下实施实例，但并不限制本发明的范围。
将两片尺寸为240*340*1.7mm的泡沫镍浸渍于浓度为100mg/L的氯化铜溶液中进行化学沉积反应，溶液的pH为中性；反应温度为50℃，1h后取出浸渍于氯亚铂酸溶液中进行化学沉积反应，溶液的pH值为3；化学沉积反应温度为50℃；化学沉积的时间为1h。然后取出阴极，在温度40℃，环境湿度为50％，干燥时间为1h得到镁水阴极。
将上述制备的镁水阴极组装成镁水电池进行放电性能测试，所述镁水阴极为氢析出反应阴极，应用于镁水电池阴极。测试条件：搁置1min后恒流放电，电流密度2mA/cm2，电解质为3.5％氯化钠水溶液，阳极为镁合金AZ61，由新威电池测试仪记录。测试结构如图2所述，图中横坐标为放电时间，纵坐标为放电电压。从图中可以看出，电池开路电压为0.51V，工作10h时，电压仍然能达到0.5V左右。
本发明以泡沫镍为基底，在其上面通过化学沉积锡、铜、银的一种或二种以上，通过金属颗粒在泡沫镍表面的堆积与排列，形成一定的空隙，从而使得之后负载的铂纳米粒子能够均匀的分布在载体上，最终制备成低铂载量的镁水阴极。

Claims (8)

1.一种镁水电池阴极，其特征在于，所述阴极包括基底和负载在基底上的金属颗粒以及催化剂；所述基底为泡沫铜、铜网、泡沫镍、镍网、钛网中的一种；所述的金属颗粒为锡、铜、银的一种或两种以上；所述催化剂为铂纳米粒子；所述铂纳米粒子的载量为1-20ug/cm2，所述铂纳米粒子被金属颗粒分隔开，通过金属颗粒在基底表面的阵列分布，形成一定的空隙，使负载的铂纳米粒子均匀分布在基底上。
2.根据权利要求1所述的镁水电池阴极，其特征在于，所述的金属颗粒的直径为0.5-2微米；所述的铂纳米粒子的直径为10-60nm。
3.根据权利要求1所述的镁水电池阴极，其特征在于，所述基底为泡沫镍，所述泡沫镍厚度为0.5-2.0mm，面密度为100-300g/m2。
4.一种权利要求1所述镁水电池阴极的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)金属颗粒的制备：将基底置于含金属颗粒前驱体的溶液中进行化学沉积反应得到负载金属颗粒的基底；所述含金属颗粒前驱体的溶液pH为中性，浓度为100～500mg/L；所述化学沉积反应的温度为30℃-70℃，反应时间为1-4h；
(2)镁水电池阴极的制备：将步骤(1)所得负载金属颗粒的基底浸渍于含有铂盐的溶液中进行化学沉积反应得到阴极前体，所述含有铂盐的溶液pH值为2-3，所述化学沉积反应温度为30-70℃；反应时间为1-6h；
(3)镁水电池阴极的后处理：将步骤(2)所得阴极前体取出干燥，得到所述镁水电池阴极。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的金属颗粒前驱体为氯化锡、氯化铜或硝酸银。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的铂盐为氯铂酸或氯亚铂酸。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，干燥温度为25-40℃，环境湿度为30-50%，干燥时间为1-3h。
8.一种权利要求1所述镁水电池阴极在镁水电池中的应用，其特征在于，所述应用为：镁水电池阴极作为氢析反应阴极。
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