[发明专利]一种Ti-Fe基多孔析氢阴极材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种Ti‑Fe基多孔析氢阴极材料、制备方法及应用，以Ti‑Fe基储氢合金粉为原料，采用固相烧结法进行析氢阴极基体的制备，然后对其进行镀层修饰，得到最终析氢阴极材料，作为水电解制氢中的阴极材料。一方面，基体本身具有多孔性质，表面积大，可为电极的析氢过程提供更多反应界面，使反应更易进行，在多孔基体上修饰高催化活性的Ni基合金镀层，可以进一步降低反应活化能，降低析氢过点位及能耗；另一方面，该基体储氢容量大，室温吸放氢动力学性能好，正常电解制氢时，可吸收一部分氢到合金内部，断电时，吸收的氢可通过扩散作用迁移到电极表面，替代电极组分发生氧化反应，从而起到保护电极材料的作用。

技术领域

本发明属于电解制氢的析氢阴极材料制备技术领域，具体涉及一种Ti-Fe基多孔析氢阴极材料、制备方法及应用。

背景技术

伴随人类文明不断前行，能源需求也在逐渐增加，随之带来的是日益严重的环境问题，积极发展清洁可再生能源已成为各国共识。但太阳能、风能等再生能源，普遍存在间歇性和地域性等问题，严重限制了其应用。氢能作为一种可再生能源，因具有高效、可存储运输和产物无污染等优点备受研究者关注，利用太阳能、风能等间歇能源发电，然后电解水制氢，生成可储运的氢能，被认为是解决当今环境污染问题的最有效途径之一。

电解水制氢是一种能够直接获得高纯氢气的制氢技术。目前电解水制氢技术大规模使用遇到的挑战，主要是如何降低能耗和提高生产的稳定性。水的理论分解电压为l.23V，而工业电解槽的平均电压为1.8V左右，阴阳极过电位约占槽电压的1/3，开发具有优异催化活性的阴阳极材料，降低槽电压，是降低能耗的关键。目前，工业上应用的DSA阳极过电位已较低(约30mV)，而广泛使用的Fe和镀Ni阴极析氢过电位还较高，分别为380mV和480mV。因此开发能够有效降低析氢过电位具有高催化活性的阴极材料始终是各国竞相研究的热门课题。

早期采用的电极材料，以贵金属Pt、Pd等为主，该体系具有析氢过电位低和电解稳定的优点，但贵金属价格昂贵不利于工业大量应用。实际工业化电解水生产中，析氢阴极必须在高温、高碱浓度、高电流密度等条件下长期并间歇性工作。因此，除了考虑其催化析氢性能外，还需着重考虑电极的稳定性。近年来研究较多的多孔镍及Ni基多元合金电极，虽能够将析氢过电位降低到200mV以内，但其长期电解稳定性仍存隐患，主要表现在停止通电或间歇电解时电极活性不断衰退，故而严重限制了其应用。

合金化和提升材料比面积均能明显改善电极的析氢催化活性，但相关研究也表明，尽管一些镍基合金电极或多孔合金电极可以在连续电解条件下保持稳定，可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，故而限制了此类高活性析氢阴极的实际应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和不足，本发明以Ti-Fe基储氢合金为析氢阴极基体材料，提供一种Ti-Fe基多孔析氢阴极材料、制备方法及应用，解决了现有析氢阴极在间断电解时组分容易溶出损坏的问题，实现了析氢阴极的长效稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种Ti-Fe基多孔析氢阴极材料，包括Ti-Fe基储氢合金多孔材料以及沉积在多孔材料表面的Ni基合金镀层。

优选的，所述的Ni基合金镀层为Ni-Co、Ni-W、Ni-Cu、Ni-Co-W或Ni-Co-Cu。

优选的，所述的Ti-Fe基储氢合金为Ti-Fe-Cr、Ti-Fe-Co、Ti-Fe-Cr-Mn或Ti-Fe-Co-Mn。

优选的，Ti-Fe基储氢合金中Ti含量为40at％～50at％，Fe含量为35at％～50at％，其他元素含量为0at％～10at％。