[发明专利]一种电解水用析氢阴极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电解水用析氢阴极材料及其制备方法。具体涉及在Ni基体上通过熔盐电解获得La基储氢合金，之后在水溶液中电沉积Ni基合金，制取电解水用析氢阴极材料，有：LaNi_x/Ni-S、LaNi_x/Ni-S(La)或LaNi_x/Ni-S-Co。

背景技术

电解水制氢是一种能够直接获得高纯氢气的制备方法。据报道，2002年全球氢气年产量约为4100万t，而采用电解水方法获得的氢气不超过5％。究其原因，主要是电解过程中阴、阳极过电位过高，约占槽电压的1/3，导致成本大大增加，约为天然气转化法的2倍。一般而言，电解水工业广泛使用铁和镀镍阴极，当电流密度为150mA·cm^-2时，其析氢过电位分别为0.38V和0.48V，电能消耗很大。

镍合金电极具有良好的电化学性能受到了广泛关注。综观数十年来的研究成果，镍合金电极主要有两个发展方向。一是提高电极的真实表面积，降低真实电流密度，达到降低析氢过电位的目的。Raney Ni合金是典型代表。与铁电极相比，当电流密度为150mA·cm^-2时，RaneyNi合金电极的析氢过电位可降低150-200mV左右。另一个研究方向是提高电极本身的电化学活性。较常用的方法是通过电沉积获得高活性的二元或多元镍合金电极材料，另外还可以通过复合镀的方法向镀层中添加某些能够提高电极活性的颗粒。目前已开发出Ni-Mo、Ni-Zn-P、Ni+Ti等活性较高的镍合金析氢阴极，当电流密度为150mA·cm^-2时，这些电极的析氢过电位均可比铁电极下降200-250mV左右。需要指出的是，尽管上述镍合金电极可以在数千小时连续电解条件下保持稳定，但在停止通电或间歇电解时电极活性会不断衰退(电极中的催化组分不断溶出所致)，若出现逆电流则衰退更快，故而严重限制了此类高活性析氢阴极的实际应用。此问题目前尚未出现有效的解决办法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点，提供一种电解水用的新型析氢阴极材料，有：LaNi_x/Ni-S、LaNi_x/Ni-S(La)或LaNi_x/Ni-S-Co，以及该材料的制备方法。其析氢材料具有过电性低、催化活性稳定等特点。

本发明所提供的析氢阴极材料其组成是以Ni材为基体，通过熔盐电解形成一层La基储氢合金，之后在水溶液中电沉积，在La基储氢合金层外附着一层Ni基合金。

上述的Ni基体，选取有镍丝，直径为3-4mm或镍片，厚度为2-5mm。

熔盐电解是通过热扩散进行结合形成La基储氢合金层LaNi_x，其厚度为20-30μm。在La基储氢合金层外附着一层Ni基合金是Ni-S、Ni-S(La)或Ni-S-Co。

本发明的制备方法是：在熔盐电解质体系中以石墨为阳极，Ni基体为阴极，电解温度为970-1000℃，阴极电流密度为50-400mA·cm^-2，电解时间为1-2h条件下，在Ni基体上通过熔盐电解获取La基储氢合金层；之后，在常温，电流密度为10-30mA·cm^-2，时间为20min-1h，pH值为4-6条件下，对La基储氢合金进行水溶液电沉积，获取析氢阴极材料。

在Ni基体上通过熔盐电解获取La基储氢合金过程中，选用Na₃AlF₆-La₂O₃为熔盐电解质体系。其质量比Na₃AlF₆∶La₂O₃＝85～95∶15～5。

对Ni基体在进行熔盐电解前，要做表面清洗处理，先用砂纸打磨后，用稀盐酸浸泡30min再用丙酮除油。

Ni基体，选取有镍丝，直径为3-4mm，或镍片，厚度为2-5mm。

对La基储氢合金进行水溶液电沉积过程中，要在水溶液中加入硫脲为硫源，并添加LaCl₃或CoCl₂电解质，组成水溶液镀液。