[发明专利]一种多孔镍基合金电解析氢阴极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔镍基合金材料的制备技术，特别是涉及一种Ni-Cr-Fe-Co电解析氢阴极材料的制备方法。

背景技术

工业革命以来，传统的化石燃料能源日益枯竭，化石燃料能源的储藏量日益枯竭。及时开发清洁、价廉的新能源，以逐步取代现有的化石燃料，达到减少污染与温室气体排放、最终实现零排放的目的尤为重要。而氢能以其储量丰富、热值高、清洁、高效、便于运输等特点在人们探索的众多新能源中，引起人们越来越多的关注。氢能开发正在引发一场深刻的能源革命，并将成为21世纪理想的二次能源。目前常见的氢气制备方法有化石燃料制氢、微生物制氢、光催化析氢、电解水制氢等。其中电解水制氢效率高，工艺过程简单，几乎不产生污染，应用比较广泛。但由于目前的析氢电极具有较高的过电位和稳定性较差而导致能耗大，限制了其大规模生产。开发具有较高的析氢催化活性和电催化稳定性的新型电极材料很有必要。

过渡金属 Ni 是良好的析氢阴极材料。首先，过渡金属 Ni 的价电子层排布为 3d⁸4s²，含有未充满的 d 电子层，原子 H 进入金属中，电离出的电子与 Ni 中未成对 d 电子形成了 M-H 键。通常过渡金属中有未成对的 d 电子或空轨道，和氢反应都会生成 M-H 键。当金属表面形成的吸附键键能递增时，根据“火山型效应”，过渡金属与H 的反应速度先增大后减小。金属 Ni具有适中的吸附 H 键能和较快的反应速率，从而表现出优异的电催化析氢反应性能。其次是因为它们大多都是非晶态合金，这种合金具有长程无序、短程有序的相结构。这种特别的相结构使得原子呈现出无规则且紧密的排列方式，这种结构明显降低了析氢反应的活化能，从而展现出优异的电催化性能。由Tafel公式可知，增大电极的比表面积可以提高电极的析氢催化活性，比如具有多孔结构的镍铝合金——雷尼镍可以使镍电极的表面积增大1000倍以上，于是可以得到相对较低的析氢过电位。如专利CN 103103562A中的Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料包括基底和表面的电沉积Ni-Co-W-Cu-B合金镀层，其基底为具有更大表面积材料的铜网而非铜片,在同等条件下所得到的Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料产生了更好的产氢性能。可知，增大材料的表面积可以得到相对较低的析氢过电位，提高电极的析氢催化活性。如专利CN105483744A中也指出将铬族金属（Cr、Mo、W）添加到铁系金属（Fe、Co、Ni）当中，可有效降低铁系金属表面析氢反应的活化能，从而提高其析氢催化活性。同时，铁系金属在碱性水溶液中的化学稳定性很高，自身不易腐蚀。如能合理选择铬族金属与铁系金属所形成合金的元素配比，并控制合金的物相组成，便有希望获得一种在碱性水溶液中析氢活化能低且耐腐蚀的合金催化剂。

本发明正是基于此而提出采用元素粉末反应合成法制备Ni-Cr-Fe-Co多孔镍基电解析氢阴极材料。该材料具有较高的比表面积、较低的析氢过电位、相对优良的抗腐蚀性能、较好的化学稳定性和较高的机械强度等优点，制备工艺简单环保，将对氢能源的开发与应用有很大的意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有丰富孔隙且孔径相对较大的粉末冶金烧结多孔电解析氢阴极材料的制备方法。本发明采用 Ni、Cr、Fe、Co粉制成孔隙丰富的多孔材料，利用其丰富的孔结构、较低的析氢过电位、优异的电催化活性和良好的化学稳定性，解决现有析氢电极催化活性不高、比表面积小、耐腐蚀性不好、抗断电短路能力差和析氢不稳定等问题。

本发明公开了一种多孔镍基合金电解析氢阴极材料的制备方法，其具体制备方法包括以下步骤：

（1）粉末配制：将Ni、Cr、Fe、Co四种高纯元素粉末按一定质量百分比配好，其中Cr、Fe、Co粉共占总质量的25~60%，余量为Ni；

（2）粉末处理：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8~16h后，加入粉末总质量1~3%的硬脂酸，再在40~60℃普通干燥箱中干燥6~12h；

（3）压制成型：将混合均匀的粉料在50~200MPa的压力下保压30~120s后压制成型，得到生坯；