CN114000175B - 一种镍铁合金析氢电极及其制备方法 - Google Patents

一种镍铁合金析氢电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镍铁合金析氢电极及其制备方法，其制备过程如下：将金属板作为基材，并用丙酮除油、喷砂对表面进行处理；将处理后的金属板浸入镍铁合金电沉积液中进行电沉积反应；电沉积反应后将电极浸入氢氧化钾溶液进行产氢和曝气清洗；清洗后的电极进行复沉积，最终获得镍铁合金析氢电极。本发明通过电沉积‑碱洗‑复沉积的方式制备的镍铁合金析氢电极具备反应比表面积高、催化活性强、使用寿命长等优点。

Description

一种镍铁合金析氢电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及电解水制氢技术领域，具体涉及一种镍铁合金析氢电极及其制备方法。
背景技术
氢能以其绿色低碳、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体。然而，煤、天然气等化石原料制氢依然是当前世界范围内最主要的氢气生产方式。虽然，化石原料制氢在成本及规模方面仍然具备优势，但是受限于化石原料的有限性、生产过程中温室气体和污染物的排放，使得氢气的来源并不“低碳”。因此，电解水制氢被认为是未来氢能重要的生产方式之一，尤其是将风电、光伏、水电等可再生能源与电解水制氢相结合，为氢能提供了绿色、低碳、可持续的生产方式。
目前，影响电解水制氢技术广泛应用的因素主要是其能耗较高，通常生产1m3氢气需要4.5-5.5kWh的电量，由于目前用电成本较高，使得电解水制氢相较于化石原料制氢还处于劣势。电解水制氢过程的关键在于电极上发生的电催化反应，因此，开发高效的电极材料，降低析氢过电位、提高电解效率、延长电极使用寿命是电解水制氢技术发展的重要方向。镍由于其成本低、储量大，而且在碱性溶液中比较稳定，是当前应用最为广泛的碱性电解制氢电极材料。为了提高催化剂活性，研究人员合成了镍基的二元或多元合金，镍、钼、钴、铁、铬等金属在合金中有良好的晶格匹配，促进协同催化反应。然而，目前碱性电解水制氢催化剂主要采用电镀或喷涂的方式附着在基材上，由于附着强度不够，在实际使用过程中会有部分催化剂从基材上面剥落，影响了电催化活性。
因此，如何提供一种种镍铁合金析氢电极及其制备方法，构建以镍铁二元合金为反应层的复合析氢电极，同时提高催化反应面积和反应活性是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍铁合金析氢电极的制备方法，通过电沉积-清洗-复沉积的方式，构建了以镍铁二元合金为反应层的复合析氢电极，同时提高了催化反应面积和反应活性。
基于本发明的第一个目的提出了一种镍铁合金析氢电极的制备方法，至少包括如下步骤：
1)将基材清洗除油后表面进行喷砂处理。
2)将处理后的基材为阴极，铂片作为对电极，进行镍铁合金电沉积，初步获得镍铁合金电极；其中电沉积电位为-1.0～-1.5V，时间为10～120s，溶液搅拌速度为100～300r/min；
3)将初步的镍铁合金电极作为阴极，钛板作为对电极浸入碱液中，其中电流密度为10-200mA/cm2；同时，对碱液进行曝气清洗镍铁合金电极；
4)将清洗后的镍铁合金电极为阴极，铂片作为对电极，进行镍铁合金电沉积；电位为-1.0～-1.5V，电沉积时间为10～60s，溶液搅拌速度为100～300r/min。
根据本发明中的一个实施例，进行4)之前还包括去除镍铁合金电极表面的碱液，具体为将镍铁合金电极浸入纯水中，直至清洗后纯水的pH 7-8。
根据本发明中的一个实施例，进基材为金属板，选自钛板、碳钢板或镍板。
根据本发明中的一个实施例，进步骤1)基材清洗除油的具体方法为：将基材浸在质量百分比为50％-99.5％的丙酮中，超声波清洗10～40min。
根据本发明中的一个实施例，进步骤2)基材浸入镍铁合金电沉积液进行镍铁合金电沉积；其中镍铁合金电沉积液包括浓度为100g/L的NiSO4·6H2O、浓度为5～25g/L的FeSO4·7H2O、浓度为20g/L的H3BO3、浓度为5g/L的抗坏血酸和浓度1g/L的十二烷基硫酸钠。
根据本发明中的一个实施例，进步骤3)碱液为30％的KOH溶液，曝气强度10-100mL/cm2/min，清洗时间为10min-60min。
基于本发明的第二个目的，提出了一种镍铁合金析氢电极利用利用上述任一的方法制备得到的镍铁合金析氢电极。
通过以上技术方案，本发明提出了一种镍铁合金析氢电极及其制备方法，具有以下优点：
1)通过中间碱液和纯水清洗环节，去除了电极表面附着力较弱的电沉积层，提高了有效的电沉积面积；
2)通过清洗之后的复沉积过程，强化了表面催化剂的电沉积量，同时强化了电沉积层的强度，有利于提高电极的使用寿命。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的目的、技术方案的特征和优点等，下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明，但本发明还可以采用不同于下述实施例所描述的方式来实施，应当理解，此处所描述的实施例，仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，所有基于本发明推导所做出的变换均应属于本发明的保护范围。在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
本实施例提出了一种镍铁合金析氢电极的制备方法，包括以下步骤：
1)将钛板浸没在质量百分比为99.5％的丙酮溶液中超声处理30min，取出后用纯水冲洗干净，然后对钛板表面进行喷砂处理，用纯水冲洗干净；
2)配制镍铁合金电沉积液，其中NiSO4·6H2O浓度为100g/L，FeSO4·7H2O的浓度为15g/L，H3BO3的浓度为20g/L、抗坏血酸的浓度为5g/L和十二烷基硫酸钠的浓度1g/L；
3)将钛板浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应60s，初步获得镍铁合金析氢电极；
4)配制30％的KOH溶液；
5)将初步获得的镍铁合金析氢电极浸入KOH溶液中，并作为阴极，钛板作为对电极，调整电流密度为100mA/cm2，曝气强度为50mL/cm2/min，对镍铁合金析氢电极清洗10min；
6)将碱液清洗后的镍铁合金析氢电极浸入纯水中清洗数次，至纯水pH达到7；
7)将纯水清洗后的镍铁合金析氢电极浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应30s，最终获得可用的镍铁合金析氢电极。
实施例2
本实施例提出了一种镍铁合金析氢电极的制备方法，包括以下步骤：
1)将钛板浸没在质量百分比为50％的丙酮溶液中超声处理30min，取出后用纯水冲洗干净，然后对钛板表面进行喷砂处理，用纯水冲洗干净；
2)配制镍铁合金电沉积液，其中NiSO4·6H2O浓度为100g/L，FeSO4·7H2O的浓度为10g/L，H3BO3的浓度为20g/L、抗坏血酸的浓度为5g/L和十二烷基硫酸钠的浓度1g/L；
3)将钛板浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应60s，初步获得镍铁合金析氢电极；
4)配制30％的KOH溶液；
5)将初步获得的镍铁合金析氢电极浸入KOH溶液中，并作为阴极，钛板作为对电极，调整电流密度为100mA/cm2，曝气强度为50mL/cm2/min，对镍铁合金析氢电极清洗10min；
6)将碱液清洗后的镍铁合金析氢电极浸入纯水中清洗数次，至纯水pH达到7；
7)将纯水清洗后的镍铁合金析氢电极浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应30s，最终获得可用的镍铁合金析氢电极。
实施例3
本实施例提出了一种镍铁合金析氢电极的制备方法，包括以下步骤：
1)将钛板浸没在质量百分比为80％的丙酮溶液中超声处理30min，取出后用纯水冲洗干净，然后对钛板表面进行喷砂处理，用纯水冲洗干净；
2)配制镍铁合金电沉积液，其中NiSO4·6H2O浓度为100g/L，FeSO4·7H2O的浓度为15g/L，H3BO3的浓度为20g/L、抗坏血酸的浓度为5g/L和十二烷基硫酸钠的浓度1g/L；
3)将钛板浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应60s，初步获得镍铁合金析氢电极；
4)配制30％的KOH溶液；
5)将初步获得的镍铁合金析氢电极浸入KOH溶液中，并作为阴极，钛板作为对电极，调整电流密度为100mA/cm2，曝气强度为100mL/cm2/min，对镍铁合金析氢电极清洗60min；
6)将碱液清洗后的镍铁合金析氢电极浸入纯水中清洗数次，至纯水pH达到7；
7)将纯水清洗后的镍铁合金析氢电极浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应30s，最终获得可用的镍铁合金析氢电极。
对比例1
1)将钛板浸没在质量百分比为99.5％的丙酮溶液中超声处理30min，取出后用纯水冲洗干净，然后对钛板表面进行喷砂处理，用纯水冲洗干净；
2)配制镍铁合金电沉积液，其中NiSO4·6H2O浓度为100g/L，FeSO4·7H2O的浓度为15g/L，H3BO3的浓度为20g/L、抗坏血酸的浓度为5g/L和十二烷基硫酸钠的浓度1g/L；
3)将钛板浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应60s，初步获得镍铁合金析氢电极；
4)将初步获得的镍铁合金析氢电极浸入纯水中清洗数次，至纯水pH达到7；
5)将纯水清洗后的镍铁合金析氢电极浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应30s，最终获得可用的镍铁合金析氢电极。
对比例2
1)将钛板浸没在质量百分比为70％的丙酮溶液中超声处理30min，取出后用纯水冲洗干净，然后对钛板表面进行喷砂处理，用纯水冲洗干净；
2)配制镍铁合金电沉积液，其中NiSO4·6H2O浓度为100g/L，FeSO4·7H2O的浓度为15g/L，H3BO3的浓度为20g/L、抗坏血酸的浓度为5g/L和十二烷基硫酸钠的浓度1g/L；
3)将钛板浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应60s，初步获得镍铁合金析氢电极；
4)配制30％的KOH溶液；
5)将初步获得的镍铁合金析氢电极浸入KOH溶液中，并作为阴极，钛板作为对电极，调整电流密度为100mA/cm2，曝气强度为50mL/cm2/min，对镍铁合金析氢电极清洗10min；
6)将碱洗后的镍铁合金析氢电极浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应30s，最终获得可用的镍铁合金析氢电极。
对比例3
1)将钛板浸没在质量百分比为99.5％的丙酮溶液中超声处理30min，取出后用纯水冲洗干净，然后对钛板表面进行喷砂处理，用纯水冲洗干净；
2)配制镍铁合金电沉积液，其中NiSO4·6H2O浓度为100g/L，FeSO4·7H2O的浓度为15g/L，H3BO3的浓度为20g/L、抗坏血酸的浓度为5g/L和十二烷基硫酸钠的浓度1g/L；
3)将钛板浸没在镍铁合金电沉积液中作为阴极，铂片作为对电极，调整电沉积电位为-1.3V，溶液搅拌速度为200r/min，进行镍铁合金电沉积反应60s，初步获得镍铁合金析氢电极；
4)配制30％的KOH溶液；
5)将初步获得的镍铁合金析氢电极浸入KOH溶液中，并作为阴极，钛板作为对电极，调整电流密度为100mA/cm2，曝气强度为50mL/cm2/min，对镍铁合金析氢电极清洗10min；
6)将碱液清洗后的镍铁合金析氢电极浸入纯水中清洗数次，至纯水pH达到7。
将上述镍铁合金析氢电极浸入30％KOH溶液中，作为阴极，铂电极作为辅助电极，汞-氧化汞电极作为参比电极，测量镍铁合金析氢电极在50mA/cm2电流密度条件下的析氢过电位和3h内电压的上升速率。
以上仅为本发明的优选实施例举例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的创造性、创新性原则之内，所作的任何修改、改进、等同替换等，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种镍铁合金析氢电极的制备方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
1）将基材清洗除油后表面进行喷砂处理；
2）将处理后的所述基材为阴极，铂片作为对电极，进行镍铁合金电沉积，初步获得镍铁合金电极；其中电沉积电位为-1.0至-1.5 V，时间为10-120s，溶液搅拌速度为100-300 r/min；所述基材浸入镍铁合金电沉积液进行镍铁合金电沉积；其中镍铁合金电沉积液包括浓度为100 g/L的NiSO4·6H2O、浓度为5-25g/L的FeSO4·7H2O、浓度为20g/L的H3BO3、浓度为5g/L的抗坏血酸和浓度1 g/L的十二烷基硫酸钠；
3）将初步的所述镍铁合金电极作为阴极，钛板作为对电极浸入碱液中，其中电流密度为10-200 mA/cm2；同时，对碱液进行曝气清洗所述镍铁合金电极；其中所述碱液为30%的KOH溶液，曝气强度10-100 mL/cm2/min，清洗时间为10min-60min；后将所述镍铁合金电极浸入纯水中，直至清洗后纯水的pH为7-8用于去除所述镍铁合金电极表面的碱液；
4）将清洗后的所述镍铁合金电极为阴极，铂片作为对电极，进行镍铁合金电沉积；电位为-1.0至-1.5 V，电沉积时间为10-60s，溶液搅拌速度为100-300r/min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基材为金属板，选自钛板、碳钢板或镍板。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1）基材清洗除油的具体方法为：将基材浸在质量百分比为50%-99.5%的丙酮中，超声波清洗10-40min。
4.一种镍铁合金析氢电极，其特征在于，利用权利要求1-3任一所述的方法制备得到的镍铁合金析氢电极。
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