[发明专利]水电解离析氢用磷化镍-碳布自支撑电极的制备方法

说明书

本发明公开了自支撑催化材料，尤其是一种水电解离析氢用磷化镍‑碳布自支撑电极的制备方法，用于非贵金属基阴极催化剂制备技术领域，包括基体预处理后对基体进行活化、敏化处理，以活化、敏化处理后的基体为阴极进行电沉积锌层，经过电沉积锌层处理的基体表面载负化学镀镍磷镀层后通过磷化反应制备磷化镍‑碳布自支撑电极，本发明不需使用粘结剂粘合，磷化镍析氢催化剂在碳布支撑体上载负牢固、机械强度高、催化活性点位多、催化析氢性能优良，在酸性、碱性和中性介质中均有高效催化析氢效能。

技术领域

本发明涉及自支撑催化材料，尤其是一种水电解离析氢用磷化镍-碳布自支撑电极的制备方法，属于或者用于非贵金属基阴极催化剂制备技术领域。

背景技术

能源是人类发展的主线，更是世界经济的“血脉”，传统化石能源的濒临枯竭和其燃烧带来的环境污染问题迫使世界各国掀起开发绿色清洁能源的热潮，氢气作为能量密度高、清洁无污染、可再生的绿色能源，在应对能源和环境问题时被寄予厚望。与工业上依赖一次能源的产氢方法相比，水电解制氢具有装置简单、产氢纯度高、能量转化率高等特点，其备受关注；但由于电解水制氢需要较高的反应过电位来克服水分子中氢键断裂的反应能垒，会大大增加反应过程中能量损耗，用于电化学阴极析氢反应的催化剂性能优劣是制约水电解离制氢效能的关键。因此，研发高效、稳定的阴极析氢催化剂来加快析氢反应动力学、降低产氢能耗，是推进电化学阴极析氢应用的重要举措。目前，电化学催化析氢性能优异的材料主要是Pt等贵金属，该材料过电位低且析氢性能优异，但Pt等贵金属在地球上储量少、价格昂贵，其不能满足工程化应用需求，因而研发来源广泛、使用便捷、析氢高效的非贵金属催化剂十分迫切。此外，在产氢过程中，不同电解装置所适用的pH不同，如质子交换膜燃料电池必须使用耐酸催化剂，碱性电解工序需要碱性条件下催化活性和稳定性优良的催化剂，微生物燃料电池产氢系统通常需要在中性pH下有优良催化性能的电催化剂。因此，非贵金属基电化学阴极析氢催化材料除具有催化析氢性能高效稳定、价廉易得等特点外，还需有宽pH适用范围，这是绿色产氢举措的核心关键。

在非贵金属基阴极催化材料中，以磷化镍为代表的过渡金属磷化物由于特殊形态结构和物理化学性质，其作为析氢材料受到广泛关注，国内外学者在此领域开展了诸多研究，探究磷化镍的制备途径和评价其水电解离析氢性能是该领域研究重点。当前，水热合成等溶液相反应制备磷化镍主要是应用白磷或三正辛基膦作磷源，但该反应温度范围受到一定限制，且反应过程中间产物毒性大。为此，学者们对上述工序进行了改进，专利CN107142488A先用水热法合成氢氧化镍前驱体粉末，然后固相法合成磷化镍空心微球粉末，该磷化镍粉末催化析氢性能优良，但所制磷化镍粉末需用聚四氟乙烯乳液、全氟磺酸类溶液等粘结剂将其粘合固定于用作电流集流体的材料上，粘结剂会封堵活性位点、降低材料的电传导性，而且电解制氢过程中催化剂粉末容易脱落；专利CN 109267095 A提及了一种新型磷化镍催化材料的制备方法，其首先用微液滴法合成含氮、磷原子的金属有机骨架前驱体，然后在900～1100℃高温下对其烧结热处理，继而制备了磷化镍催化析氢材料，该方法虽然无需外加磷源，但是前驱体制备采用了多种有毒化学物质，对人体危害大，而且高温操作、能耗大；专利CN107502919A提及采用溶剂热法制备磷化镍催化剂，但该技术涉及的高温高压工序不利于其工业生产应用。基于目前磷化镍制备存在的技术缺陷，寻求一种物料来源广泛、制备过程便捷、绿色无污染、易于产业化推广、析氢性能高效稳定、且宽pH适用范围的磷化镍制备技术，是推进阴极水电解离制氢的重要举措。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种水电解离析氢用磷化镍-碳布自支撑电极的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

水电解离析氢用磷化镍-碳布自支撑电极的制备方法，包括如下步骤：

（1）基体预处理，将基体剪裁成规定大小的矩形片，对基体进行酸浸渍亲水改性处理，酸浸渍亲水改性后基体进行超声处理，使用洗涤剂清洗基体至洗涤剂pH值为中性，烘干基体；