[发明专利]一种析氢电极材料合金成分的筛选方法

说明书

本发明涉及一种析氢电极材料合金成分的筛选方法，属于电极材料技术领域。该方法包括以下步骤：(1)计算基体及合金的晶格常数；(2)模拟基体及合金表面氢吸附过程；(3)关联计算模拟与实验；(4)建立析氢电极催化活性数据库：针对不同的合金元素，重复以上步骤，最终筛选出高催化活性的合金电极并建立析氢电极催化活性数据库，用于实验中对于掺入基体的合金元素进行筛选。本发明的析氢电极材料合金成分的筛选方法结合先进的材料模拟计算能够方便快捷地开发新型廉价的、高催化活性的析氢电催化材料，具有重要的理论和实际价值。

技术领域

本发明涉及一种电极材料合金成分的筛选方法，特别涉及一种析氢电极材料合金成分的筛选方法，属于电极材料技术领域。

背景技术

计算材料学是一门正在快速发展的新兴学科，它可以通过计算机对材料组成、结构、性能等多方面进行模拟和设计。模拟的工作仅在计算机上即可完成，因此基本不受实验条件、时间和空间的限制，具有极强的灵活性和随机性。

通常的新材料设计需要大量的实验工作进行反复验证，而现在这些实验过程越来越多的可以直接通过计算机模拟完成，从而节省大量的人力和物力，并加快新材料的研发。计算材料学在材料设计与开发领域的应用必将推动材料科学及相关产业的快速发展。

氢气作为二次能源具有清洁无污染、燃烧热值高、可存储和运输等优点，受到世界各国广泛重视。

目前，通过电解水制氢是实现工业化廉价制备氢气的重要方法。传统的阴极材料为铁或镀镍阴极，但由于具有较高的析氢过电位，能耗大，严重地阻碍电解水工业的发展。

为了降低能耗，研究开发新型的、廉价的、高催化活性的析氢电催化材料，更加具有商业价值和现实意义。

影响阴极材料活性的因素主要可以分为几何因素和能量因素。几何因素主要考虑材料的比表面积和表面形貌特征，很大程度取决于制备工艺；能量因素即以金属-氢键的键能为判断依据。

目前比较流行的析氢理论是迟缓放电理论和复合理论。通常认为在碱性或中性介质中的电极反应基本过程如下：

[1]电化学反应：产生吸附在电极表面的氢原子H₂0+e+M—MH+OH^-；

[2]复合脱附：MH+MH—2M+H₂；

[3]电化学脱附：MH+H₂0+e—H₂+M+OH^-。

以上析氢过程表明高活性的析氢电极，不仅要求在析氢电催化反应过程中容易形成金属-氢键，而且还要求被吸附物具有良好的解吸附能力。对于基体材料M，M-H键的键强度较强时容易发生氢吸附；M-H键的键强度较弱时容易发生氢脱附。因此，筛选出具有适量吸附氢特性的金属与基体M形成活性较高的合金，可以显著地提高析氢电化学反应速率。

实验对析氢过程研究已很成熟，大量的实验表明金属-氢键键能与析氢反应电流之间呈现“火山型”关系图。在计算材料领域中，量子力学第一原理方法已广泛应用于析氢电催化反应，并且已经与实验建立了联系。理论计算表明氢的吸附自由能ΔG_H可以作为催化反应的描述符，它是一个关联实验的金属-氢键键能物理量，并且与析氢反应电流之间保持着“火山型”关系图。当ΔG_H越接近于0时，析氢反应的交换电流密度越大，也就是说ΔG_H＝0的材料是催化活性最高的催化剂。因此，计算模拟可以通过氢的吸附自由能筛选合适的电极材料。

大量的实验表明电极活性与M-H键能密切相关，但是由于实验局限性，研究往往限于纯金属体系。将计算材料学用于析氢电极材料合金成分的筛选将有助于该技术领域的进一步发展。

因此，提供一种简单快捷地筛选出能够提升基体材料电极催化活性的合金元素的方法就成为该技术领域急需解决的难题。