[发明专利]一种用于制备燃料电池专用氢的催化电极及制备方法

说明书

本发明提出一种用于制备燃料电池专用氢的催化电极及制备方法，将硝酸铁、硝酸镍配置为水溶液，缓慢加入有机硅等反应后获得络合物凝胶，将该凝胶材料与粘结剂混合后涂覆于电极板表面，在高温热处理过程中去除粘结剂，极板表面金属原子与硅基骨架形成金属‑硅键，使得电极金属材料与催化剂界面结合牢固，本发明克服了目前过渡金属氮化物催化剂与电极的结合性能不佳，在催化过程中的稳定性较差的缺陷，提高了电极与催化剂复合稳定性，进而提高了催化活性。本发明提高传统电解水催化剂在催化过程中的稳定性，同时制备方法简单可控，适宜于大规模制备燃料电池氢原料。

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，特别是涉及一种用于制备燃料电池专用氢的催化电极及制备方法。

背景技术

由于煤炭、石油和天然气为主的化石能源的急剧消耗带来了气候变化、环境污染和能源短缺等问题，迫使人类积极寻求安全稳定和清洁高效的替代能源。氢能是一种高效清洁能源，其开发应用有利于解决目前能源使用中的效率及污染问题。按照制氢原料和方法划分，包括矿物燃料制氢、生物质制氢和水制氢。

随着燃料电池的快速发展，需氢量激增，但适合燃料电池的氢制备还存在诸多问题。如纯度问题，成本问题，可持续制氢等均需要改进。矿物燃料制氢技术成熟，但需投资成本高、污染严重和碳排放量大等问题。生物质制氢原料来源广泛，但存在产氢速率慢和效率低的缺点。水作为自然界中最丰富的资源之一，用来制氢不仅原料充足，而且对环境无污染。

电解水制氢主要是通过在酸性或碱性电解池中加电压，使水分子分解来制取氢气，其中，析氢反应（HER）和析氧反应（OER）是电催化制氢能源转换中的重要过程。在电催化制氢重要过程中，需要提高制氢催化剂的活性来降低氢电极上氢气产生的过电势。如果氢原子在氢电极上的吉布斯吸附自由能较小，氢原子将不易于吸附在氢电极上，但如果吸附自由能较强将不利于产生的氢气释放。Pt、Ru等贵金属及氧化物对HER和OER具有高的电催化活性，但其储量有限、价格昂贵，稳定性较差等不足阻碍其大规模生产应用。开发媲美贵金属催化活性且足够稳定的催化剂尤为重要。

近年来，非贵金属催化剂的研究取得了长足的进步，金属氮化物材料具有十分优异的催化性能，与贵金属相似的电子结构，氮原子的半径较小可以嵌入到金属晶格之中，所以有较高的电子传导速率，同时过渡金属氮化物还具有良好的抗腐蚀性，在酸性和碱性环境中均具有较好催化活性。有研究者报道了氮化钼可用作电解水制氢催化剂，将钼酸铵和硝酸镍在 400℃，氢气氛围中加热还原得到MoNi金属颗粒，之后在氨气氛围中加热 700℃将金属颗粒转化NiMoNx纳米层片。在0.1M HClO溶液中进行电解水制氢测试，与NiMo金属颗粒相比，氮化处理后的NiMoNx纳米层片的催化活性显著提高。中国发明专利申请号201510556547.4公开了一种电解水用氮掺杂碳纳米管包覆镍铁的析氧催化材料的制备及其应用，将醋酸镍和氯化铁与柠檬酸、硫脲按一定的摩尔百分比均匀混合后，然后在10-100mL/min的N₂气流速下，600-900℃下经过1-10h煅烧制得Ni0.9Fe0.1@CNx，作为电解水析氧电极具有优良的性能。

然而，过渡金属氮化物与电极表层的结合能较差，并且目前催化剂与电极的复合方式大多为先分别制备催化剂材料与电极后使用粘合剂复合，工序繁琐而且结合性能不够优异，在催化过程中容易出现金属离子脱落导致催化剂失活。因此，改善催化剂与电极的复合方式，提高催化材料长时间稳定工作稳定性，对于电极的催化性能改善具有十分重要的实际意义。

发明内容

针对目前的过渡金属氮化物催化剂与电极的结合性能不够优异，在催化过程中的稳定性较差，导致催化剂失活的缺陷，本发明提出一种用于制备燃料电池专用氢的催化电极及制备方法，从而提高过渡金属氮化物催化剂在电解水催化过程中的稳定性，制备工艺简单，具有大规模生产的潜力。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：