[发明专利]一种基于微观爆破工艺的电解水阴极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于微观爆破工艺的电解水阴极及其制备方法，属于电解水制氢技术领域。本发明公开的电解水阴极包含金属基底和包覆在金属基底上且与金属基底融为一体的多孔金属目标组分。本发明还公开了该电解水阴极的制备方法，该方法通过等离子热喷涂的方式在清洁处理过的导电基底上喷涂蛋黄结构复合金属颗粒，然后进行选择性腐蚀，从而在金属基底上形成金属纳米颗粒，同时除去残余的非目标组分，得到电解水阴极。本发明方法工艺简单，较传统工艺，可大幅提高电极催化性能。

技术领域

本发明涉及电解水制氢技术领域，尤其是一种基于微观爆破工艺的电解水阴极及其制备方法。

背景技术

氢能作为一种高效清洁能源近年来成为科学和社会热点。目前，全球范围内氢能产业呈现出高速发展的态势，包括氢气制、储、运、加、用全产业链。作为氢能产业链的上游端，氢气制备也备受关注，尤其随着弃电资源、核电资源的有效整合，未来通过碱性电解水制氢可以获取成本低廉的氢气，可为下游端用氢燃料电池汽车的发展提供强有力支撑。

碱性电解水制氢目前最大的技术问题是，单位制氢量条件下电能消耗过高。从电解水过程中电能消耗分布分析，电能消耗主要体现在阴极、阳极反应过电位。电极过电位一方面体现在电极催化剂的本征催化性能，另一方面体现在电极表面有效催化活性位点数目。目前工业上，电解水阴极主要采用镍基金属材料，一方面由于镍的抗碱液腐蚀能力，另一方面得益于镍本身具备良好的析氢催化活性。这些镍基电极的制备方法主要有电镀、等离子热喷涂、粉末烧结等，其中等离子热喷涂是将金属镍粉高温熔融喷涂到金属基底上。由于熔融状态金属间紧密接触，以及镍粉末间大量的空隙，等离子热喷涂得到的镍基电极具有良好的电解耐久性和一定的催化活性，然而这种电极依然达不到进一步降低电解水电能消耗的高要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于微观爆破工艺的电解水阴极及其制备方法，用于进一步大幅降低电解水电能消耗。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于微观爆破工艺的电解水阴极，其特征在于，包含：金属基底和多孔金属目标组分，所述多孔金属目标组分包覆在所述金属基底表面并且与所述金属基底融为一体。

进一步地，所述金属基底选自镍网、泡沫镍、镍片、不锈钢网、泡沫铁、不锈钢片、铜网、泡沫铜、铜片、钴网、泡沫钴和钴片中的一种。

进一步地，所述多孔金属目标组分由金属纳米颗粒组成，所述金属纳米颗粒直径为5～1000纳米。

本发明还提供了一种基于微观爆破工艺的电解水阴极的制备方法，包含以下步骤：

S1.将金属基底清洁处理；

S2.在清洁处理过的金属基底上喷涂蛋黄结构复合金属颗粒；

S3.将经过步骤S2处理的金属基底浸泡在选择性腐蚀液中进行选择性腐蚀，得到表面包覆有金属纳米颗粒的金属基底，水洗干燥后得到电解水阴极。

进一步地，步骤S2中所述蛋黄结构复合金属颗粒的直径为5～200微米，所述蛋黄结构复合金属颗粒包括表层金属目标组分和内层非目标组分，所述表层金属目标组分为镍、钛、镍钼合金中的一种，所述内层非目标组分为铝、锌、铜、碳、聚苯乙烯、硅中的一种，所述蛋黄结构复合金属颗粒中表层金属目标组分的质量分数为40％～90％。

进一步地，步骤S1中所述清洁处理具体为将所述金属基底置于丙酮溶液中超声清洗10～30分钟，再用乙醇清洗至除去所述金属基底表面油脂层；然后将所述金属基底置于浓度为1～6mol/L的盐酸溶液中超声5～25分钟，并静置10～30分钟，再用蒸馏水清洗至除去所述金属基底的表面氧化层。

进一步地，步骤S2中所述喷涂具体为在氩气和氢气的保护气氛下，采用等离子热喷涂方法将所述蛋黄结构复合金属颗粒喷涂到清洁处理过的金属基底表面。