CN115558951A - 非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用 - Google Patents
非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115558951A CN115558951A CN202211272175.9A CN202211272175A CN115558951A CN 115558951 A CN115558951 A CN 115558951A CN 202211272175 A CN202211272175 A CN 202211272175A CN 115558951 A CN115558951 A CN 115558951A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- amorphous
- alloy
- thin strip
- nickel alloy
- nano porous
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 55
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 62
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 47
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 47
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910008651 TiZr Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 229910000808 amorphous metal alloy Inorganic materials 0.000 claims description 47
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 29
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 28
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 25
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 24
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 16
- 238000007664 blowing Methods 0.000 claims description 14
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 11
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 9
- 238000009941 weaving Methods 0.000 claims description 8
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 7
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 5
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 2
- 239000007809 chemical reaction catalyst Substances 0.000 claims 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 8
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000013112 stability test Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018502 Ni—H Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000000024 high-resolution transmission electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
- C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
- C25B11/031—Porous electrodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
- B22D11/0611—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a single casting wheel, e.g. for casting amorphous metal strips or wires
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/023—Alloys based on nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
- C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
- C23F1/44—Compositions for etching metallic material from a metallic material substrate of different composition
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/042—Electrodes formed of a single material
- C25B11/046—Alloys
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
本发明公开了一种非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用，该一体式电极是由非晶纳米多孔镍合金薄带编制而成的，非晶纳米多孔镍合金薄带的晶体学结构为非晶态，兼具纳米多孔结构，且材料表面的金属元素的原子百分数比例为Ni：(TiZr)=80+x：20‑x(x=0~16)；其中，Ti、Zr两种元素以氧化价态形式存在。所述非晶纳米多孔镍合金一体式电极用作电解水过程中的析氢反应催化电极；该一体式电极在碱性环境中的析氢过电位在40 mV以下。
Description
技术领域
本发明涉及非晶纳米多孔镍合金一体式电极，可用于电解水制氢，属于新材料技术以及新能源技术领域。
背景技术
随着能源问题与环境问题的日益恶化，氢能源作为一种可再生的清洁能源进入大众的视线，氢能源作为高效洁净的二次能源，被视为未来最有潜力的新能源之一。氢能源的出现可能解决人类生存面临的两大问题，达到绿色、可持续的发展模式。然而替代化石能源需要大量的氢气。目前常见的氢气制备方法有电解水制氢、生物制氢、光催化制氢和化石燃料制氢等方法。在众多的制氢方法中，电解水制氢技术的优势最为显著制氢原料成本低、资源广、设备成本低、氢气纯度高以及不存在碳排放问题。但是，当前的电解水制氢技术，因析氢电极过电位高，导致生产能耗较大，从而限制了氢能源的发展。因此，提高电极的析氢催化活性具有很大的意义。
贵金属Pt、Pd等作为电极材料具有良好的电催化活性和较低的析氢过电位，但是由于这些贵金属价格昂贵，难以在工业生产中大量应用，从而阻碍了氢能源的普及。而过渡金属镍具有较为丰富的资源储量，且具有一定的阴极催化析氢能力，被公认为贵金属理想的替换材料。纯金属镍的催化析氢能力仍与贵金属有较大差距，适当采取合金化的方式可以提升金属镍的催化活性。
工业化制氢需求高效率的催化析氢阴极材料，即在电极单位几何表面积标准下具有更低的过电位。这种需求使得阴极材料应同时具备两个要素：1. 催化剂较好的本征催化活性；2.整个阴极具有较大的电化学表面，以增加有效的催化位点数量。传统的电镀法、球磨法等方法虽然可以实现金属镍的合金化，以改善本征催化能力，但在构建大的电化学表面积的方面，其对催化剂粒径的调节基本限制于微米尺度级别，难以获得更为理想的效果。特别是，对于粉末型催化剂，理论上具有较大的比表面积，但在其制备成析氢电极后，由于存在不可避免的颗粒团聚问题，使得有效的催化表面积通常远小于催化剂的真实表面积，电极的催化析氢过电位难以进一步降低。自支撑一体化电极材料由于导电基底与催化材料之间较小的接触电阻，甚至基底材料作为催化剂的前驱体直接参与反应，催化材料更容易实现取向择优生长，从而有利于催化过程中的电子输运和表面化学物质的解吸附，提高催化活性面积。因此，寻找兼具良好析氢催化活性和较大的有效催化表面的镍基阴极析氢材料是一个非常有意义的工作。
发明内容
本发明目的是针对现有技术中存在的上述技术问题，提供非晶纳米多孔镍合金一体式电极，并用作阴极析氢催化剂，有效降低析氢过电位，可在强碱性环境中稳定工作。
本发明的技术方案：
非晶纳米多孔镍合金一体式电极，该一体式电极是由非晶纳米多孔镍合金薄带编制而成的，非晶纳米多孔镍合金薄带的晶体学结构为非晶态，兼具纳米多孔结构，且材料表面的金属元素的原子百分数比例为Ni：(TiZr)=80+x：20-x (x=0~16)；其中，Ti、Zr两种元素以氧化价态形式存在。
所述非晶纳米多孔镍合金一体式电极用作电解水过程中的析氢反应催化电极；该一体式电极在碱性环境中的析氢过电位在40 mV以下。
所述非晶纳米多孔镍合金一体式电极的制备方法，包括以下步骤：
第一步，合金成分的选择及合金制备
按照合金成分点为Ni45+ x(Ti36Zr64)55-x (x= 0~5) at.%选择金属材料，原料分别为质量百分比纯度为99.9%的纯镍、99.9%的纯钛、99.9%的纯锆，并通过公知的电弧炉熔炼此合金10 g作为制备先驱体薄带的原料，熔炼条件为：熔炼电流150 A，重复熔炼3次，每次60 s，随炉冷却，制得Ni-Ti-Zr合金铸锭；
第二步，制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带
将Ni-Ti-Zr合金锭去除表层氧化皮，并采用真空甩带设备制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带，甩带条件为：在9.0×10-4 Pa真空度下，加热合金锭至熔融状态，然后将熔融的Ni-Ti-Zr合金吹铸形成非晶合金薄带，吹铸所需压力为1.0 MPa；吹铸所需铜辊转速为30～40 m/s，制得厚度25～30 µm的非晶合金薄带；
第三步，将制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网
将Ni-Ti-Zr非晶合金薄带截成固定长度，通过拉经线、穿纬线和封边等工艺，制成非晶镍合金网；
第四步，去合金化制备纳米多孔镍基非晶合金一体式电极
将上面得到的非晶镍合金网，在室温下将其置于0.1 M氢氟酸腐蚀液中浸泡处理30~50 min，溶解表面的部分Ti、Zr元素，形成纳米多孔镍基非晶合金网表皮，然后将获得的产物浸泡在去离子水中5 min，溶解残留污染物，即可获得所述的纳米多孔镍基非晶合金一体式电极。
本发明所述非晶纳米多孔镍合金一体式电极的制备方法不限于上述制备步骤，上述制备方案仅供示例参考。
本发明的技术分析：
本发明获得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极主要以非晶态形式存在，减少了合金元素发生偏析的倾向，使得合金表面的Ti、Zr元素均匀分布于金属镍中、且以氧化态形式存在，构成Ni/TixZryOz型金属/氧化物复合催化电极。一方面，Ti、Zr元素的弥散状分布可提升单位面积电化学表面上Ni/TixZryOz型活性位点的数量。其中，氧化态的Ti、Zr可以优化金属Ni的电子结构，降低Ni-H键强度，促进吸附氢的脱附析出；同时，氧化态的Ti、Zr有利于活化水分子中的HO-H键，促进碱性环境中水分子的解离吸附。另一方面，纳米多孔结构可有效增加催化电极单位电化学表面积。上述两方面因素协同作用可极大提升电极的催化析氢活性。
本发明的有益效果：
该一体式电极在碱性环境中的析氢过电位至40 mV以下，可减少电极制备工艺的复杂性，适合大批量生产，为碱性环境析氢催化剂的导向性设计和性能优化提供了新的思路和策略。
附图说明：
图1为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极照片。
图2为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极表面显微组织扫描电镜照片。
图3为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极透射电镜照片。
图4为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极高分辨透射电镜照片及相应的傅里叶变换图。
图5为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的X射线衍射图谱。
图6a和图6b为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极表面的Ti、Zr元素的X射线光电子能谱（XPS）图。
图7为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极在1 M KOH电解液中的极化曲线（LSV）图。
图8为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极在1 M KOH电解液中的长周期析氢稳定性测试结果图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例作进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术解决方案的限制。
实施例一：
第一步，合金成分的选择及合金制备
按照合金成分点为Ni45Ti20Zr35 at.%选择金属材料，原料分别为质量百分比纯度为99.9%的纯镍、99.9%的纯钛、99.9%的纯锆，并通过公知的电弧炉熔炼此合金10 g作为制备先驱体薄带的原料，熔炼条件为：熔炼电流150 A，重复熔炼3次，每次60 s，随炉冷却，制得Ni-Ti-Zr合金铸锭；
第二步，制备Ni-Ti-Zr先驱体非晶合金薄带
将第一步制备的Ni-Ti-Zr合金铸锭去除表层氧化皮，并采用真空甩带设备制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带，甩带条件为：在9×10-4 Pa真空度下加热熔融Ni-Ti-Zr合金锭，然后将熔融的Ni-Ti-Zr合金吹铸形成非晶合金薄带，吹铸所需压力为1.0 MPa；吹铸所需铜辊转速为35 m/s，制得的Ni-Ti-Zr非晶合金薄带的厚度为25～26 µm；
第三步，将制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网
将Ni-Ti-Zr非晶合金薄带截取4 cm长度，通过拉经线、穿纬线和封边等工艺，制成非晶镍合金网；
第四步，去合金化制备纳米多孔镍基非晶合金一体式电极
将第三步制得的Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网，在室温下将其置于0.1M氢氟酸腐蚀液中进行自由脱合金处理30 min，溶解表面的部分Ti、Zr元素，形成纳米多孔镍基非晶合金网表皮，然后将获得的产物浸泡在去离子水中5 min，溶解残留污染物，获得所述的非晶纳米多孔镍基合金一体式电极。
图1为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极照片。
图2为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的表面显微组织扫描电镜照片。
图3为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的透射电镜照片，该材料具有丰富的孔隙，可有效增加电化学表面积。
图4为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的高分辨透射电镜照片及相应的傅里叶变换图，该材料未形成长程有序的原子排列结构，以非晶相为主要物相。
图5为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的X射线衍射图谱。XRD衍射图谱中未出现明显结晶相的衍射峰，表明主要物相为非晶相。
图6为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极表面的Ti、Zr元素的X射线光电子能谱（XPS）图。Ti元素2p3/2和2p1/2特征峰分别出现在458.8 eV和464.4 eV附近，对应氧化价态的Ti；Zr元素3d5/2和2p3/2特征峰主要出现在182.5 eV和184.9 eV附近，对应氧化价态的Zr，另有较小的3d5/2特征峰出现在178.8 eV附近，对应金属价态的Zr。XPS结果表明纳米多孔镍基非晶合金材料表面残留的Ti、Zr元素基本以氧化物的形式存在。在碱性环境中，表面氧化物可活化水分子，有利于电化学析氢过程。
图7为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极在1 M KOH电解液中的极化曲线（LSV）图。相比于金属镍电极(析氢过电位约270 mV)，纳米多孔镍基非晶合金材料可降低析氢过电位至40 mV以下，有效减少额外的能源消耗。
图8为本发明中制得的非晶纳米多孔镍合金一体式电极在1 M KOH电解液中的长周期析氢稳定性测试结果图，该材料可在碱性环境中持续催化析氢60小时后依然可以保持较低的过电位，表明具有良好的稳定性。
实施例二：
第一步，合金成分的选择及合金制备
按照合金成分点为Ni50Ti18Zr32 at.%选择金属材料，原料分别为质量百分比纯度为99.9%的纯镍、99.9%的纯钛、99.9%的纯锆，并通过公知的电弧炉熔炼此合金10 g作为制备先驱体薄带的原料，熔炼条件为：熔炼电流150 A，重复熔炼3次，每次60 s，随炉冷却，制得Ni-Ti-Zr合金铸锭；
第二步，制备Ni-Ti-Zr先驱体非晶合金薄带
将第一步制备的Ni-Ti-Zr合金锭去除表层氧化皮，并采用真空甩带设备制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带，甩带条件为：在9×10-4 Pa真空度下加热熔融Ni-Ti-Zr合金锭，然后将熔融的Ni-Ti-Zr合金吹铸形成非晶合金薄带，吹铸所需压力为1 MPa；吹铸所需铜辊转速为30 m/s，制得的Ni-Ti-Zr非晶合金薄带的厚度为28～30 µm；
第三步，将制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网
将Ni-Ti-Zr非晶合金薄带截取4 cm长度，通过拉经线、穿纬线和封边等工艺，制成非晶镍合金网；
第四步，去合金化制备纳米多孔镍基非晶合金一体式电极
将第三步制得的Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网，在室温下将其置于0.1M氢氟酸腐蚀液中进行自由脱合金处理40 min，溶解表面的部分Ti、Zr元素，形成纳米多孔镍基非晶合金网表皮，然后将获得的产物浸泡在去离子水中5 min，溶解残留污染物，获得所述的纳米多孔镍基非晶合金一体式电极。
实施例三：
第一步，合金成分的选择及合金制备
按照合金成分点为Ni50Ti18Zr32 at.%选择金属材料，原料分别为质量百分比纯度为99.9%的纯镍、99.9%的纯钛、99.9%的纯锆，并通过公知的电弧炉熔炼此合金10 g作为制备先驱体薄带的原料，熔炼条件为：熔炼电流150 A，重复熔炼3次，每次60 s，随炉冷却，制得Ni-Ti-Zr合金铸锭；
第二步，制备Ni-Ti-Zr先驱体非晶合金薄带
将第一步制备的Ni-Ti-Zr合金锭去除表层氧化皮，并采用真空甩带设备制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带，甩带条件为：在9×10-4 Pa真空度下加热熔融Ni-Ti-Zr合金锭，然后将熔融的Ni-Ti-Zr合金吹铸形成非晶合金薄带，吹铸所需压力为1 MPa；吹铸所需铜辊转速为40 m/s，制得的Ni-Ti-Zr非晶合金薄带的厚度为27～29 µm；
第三步，将制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网
将Ni-Ti-Zr非晶合金薄带截取4 cm长度，通过拉经线、穿纬线和封边等工艺，制成非晶镍合金网；
第四步，去合金化制备纳米多孔镍基非晶合金一体式电极
将第三步制得的Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成镍合金网，在室温下将其置于0.1M氢氟酸腐蚀液中进行自由脱合金处理50 min，溶解表面的部分Ti、Zr元素，形成纳米多孔镍基非晶合金网表皮，然后将获得的产物浸泡在去离子水中5 min，溶解残留污染物，获得所述的纳米多孔镍基非晶合金一体式电极。
以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种非晶纳米多孔镍合金一体式电极，所述一体式电极是由非晶纳米多孔镍合金薄带编制而成，其特征在于：非晶纳米多孔镍合金薄带的晶体学结构为非晶态，兼具纳米多孔结构，且材料表面的金属元素的原子百分数比例为Ni：(TiZr)=80+x：20-x (x=0~16)；其中，Ti、Zr两种元素以氧化价态形式存在。
2.如权利要求1所述的非晶纳米多孔镍合金一体式电极，其特征在于：材料表面的纳米多孔结构的孔径分布范围为1~100 nm。
3.如权利要求1或2所述的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的制备方法，其特征在于：由以下步骤制备所得：
第一步，合金成分的选择及合金制备
按照合金成分点为Ni45+x(Ti36Zr64)55-x (x= 0~5) at.%选择金属材料，原料分别为质量百分比纯度为99.9%的纯镍、99.9%的纯钛、99.9%的纯锆，并通过电弧炉熔炼此合金10 g作为制备先驱体薄带的原料，熔炼条件为：熔炼电流150 A，重复熔炼3次，每次60 s，随炉冷却，制得Ni-Ti-Zr合金铸锭；
第二步，制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带
将Ni-Ti-Zr合金锭去除表层氧化皮，并采用真空甩带设备制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带，甩带条件为：在9.0×10-4 Pa真空度下，加热合金锭至熔融状态，然后将熔融的Ni-Ti-Zr合金吹铸形成非晶合金薄带，吹铸所需压力为1.0 MPa；吹铸所需铜辊转速为30～40 m/s，制得厚度25～30 µm的非晶合金薄带；
第三步，将制备Ni-Ti-Zr非晶合金薄带编制成非晶镍合金网
将Ni-Ti-Zr非晶合金薄带截成固定长度，通过拉经线、穿纬线和封边等工艺，制成非晶镍合金网；
第四步，去合金化制备非晶纳米多孔镍基合金一体式电极
将上面得到的非晶镍合金网，在室温下将其置于0.1 M氢氟酸腐蚀液中浸泡处理30~50min，溶解表面的部分Ti、Zr元素，形成纳米多孔镍基非晶合金网表皮，然后将获得的产物浸泡在去离子水中5 min，溶解残留污染物，即可获得所述的非晶纳米多孔镍基合金一体式电极。
4.如权利要求1所述的非晶纳米多孔镍合金一体式电极的应用，其特征在于：该一体式电极用作电解水过程中的析氢反应催化剂。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于：该一体式电极在碱性环境中的析氢过电位在40 mV以下。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211272175.9A CN115558951A (zh) | 2022-10-18 | 2022-10-18 | 非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211272175.9A CN115558951A (zh) | 2022-10-18 | 2022-10-18 | 非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115558951A true CN115558951A (zh) | 2023-01-03 |
Family
ID=84767343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211272175.9A Pending CN115558951A (zh) | 2022-10-18 | 2022-10-18 | 非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115558951A (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1382229A (zh) * | 1999-10-26 | 2002-11-27 | 斯图尔特能源系统公司 | 电化学过程用的无定形金属/金属玻璃电极 |
| CN104269278A (zh) * | 2014-10-08 | 2015-01-07 | 河北工业大学 | 一种自立式纳米多孔镍/氧化镍复合电极片及其制备方法 |
| CN110055477A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种纳米多孔镍基非晶合金材料及其在电解水制氢中的应用 |
-
2022
- 2022-10-18 CN CN202211272175.9A patent/CN115558951A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1382229A (zh) * | 1999-10-26 | 2002-11-27 | 斯图尔特能源系统公司 | 电化学过程用的无定形金属/金属玻璃电极 |
| CN104269278A (zh) * | 2014-10-08 | 2015-01-07 | 河北工业大学 | 一种自立式纳米多孔镍/氧化镍复合电极片及其制备方法 |
| CN110055477A (zh) * | 2019-03-04 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种纳米多孔镍基非晶合金材料及其在电解水制氢中的应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xiao et al. | Interfacial interaction between NiMoP and NiFe-LDH to regulate the electronic structure toward high-efficiency electrocatalytic oxygen evolution reaction | |
| Wang et al. | Preparation of nanostructured Cu (OH) 2 and CuO electrocatalysts for water oxidation by electrophoresis deposition | |
| CN110055477A (zh) | 一种纳米多孔镍基非晶合金材料及其在电解水制氢中的应用 | |
| Huo et al. | Synthesis of functional Ni2P/CC catalyst and the robust performances in hydrogen evolution reaction and nitrate reduction | |
| Liu et al. | Urea-assisted enhanced electrocatalytic activity of MoS 2–Ni 3 S 2 for overall water splitting | |
| CN109055973B (zh) | 铝掺杂三维纳米多孔金属硫化物析氢电极制备及使用方法 | |
| Sun et al. | Layer-structured FeCo bihydroxide as an ultra-stable bifunctional electrocatalyst for water splitting at high current densities | |
| CN110565113B (zh) | 一种用于碱性电催化析氢的复合电催化材料的制备方法 | |
| Cui et al. | High-efficiency Co6W6C catalyst with three-dimensional ginger-like morphology for promoting the hydrogen and oxygen evolution reactions | |
| Hao et al. | Synergistic effects of MoS 2-decorated in situ NiFe nanoalloys/NiFe-LDH with superhydrophilicity for electrocatalytic overall water splitting | |
| Narayanan et al. | Fabrication of highly efficient FeNi-based electrodes using thermal plasma spray for electrocatalytic oxygen evolution reaction | |
| CN115491691B (zh) | 自支撑纳米多孔层片状FeCo/Ce-O-N复合电极材料制备方法及应用 | |
| CN114717573B (zh) | 一种具有异相结的钴基金属/金属氧化物析氢催化剂及其制备与应用 | |
| CN115558951A (zh) | 非晶纳米多孔镍合金一体式电极、制备方法及其应用 | |
| CN116219484A (zh) | 一种高效的双金属氮化物/氢氧化物异质结构电催化剂、制备方法和应用 | |
| CN112853392B (zh) | 一种碱性电解水阳极及其制备方法 | |
| CN115652228A (zh) | 一种通过热处理提高高熵合金电催化析氢性能的方法 | |
| Wang et al. | Electrodeposition of carbon cloth supported Co-Mo-B bifunctional catalytic electrode for water splitting | |
| Yu et al. | Electrochemically treated AlCoCrFeNi high entropy alloy as a self-supporting electrode for overall water splitting | |
| CN112501645B (zh) | 一种氢氧化镍/镍网复合析氢析氧电极、制备方法及其应用 | |
| JP2023028320A (ja) | 水分解触媒 | |
| Zhang | Enhancing the Water Oxidation Performance of Bulk Al1. 2CrFe2Ni2 High Entropy Alloy Through Deep Cryogenic Treatment | |
| Jiao et al. | Earth-abundant nickel cobalt disulfide nanoporous networks catalyst for efficient hydrogen evolution | |
| CN110983398A (zh) | 在金属电极表面熔盐电沉积三氧化二钒包覆层的方法及应用 | |
| Cao et al. | Mild formation of Ni (OH) 2 dense nanosheets array for ultra-efficient electrocatalytic hydrogen evolution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |