[发明专利]一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极及其一步制备法

说明书

本发明公开了一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极及其一步制备法，所述多孔碳化物析氢电极包括可渗碳型金属基底和具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物涂层。所述可渗碳型金属包括W、Mo、Ti及其合金，或者含有W、Mo、Ti及其合金涂层的金属或合金。其制备方法为：在含熔融碳酸盐的熔盐电解质中，通过阴极电解渗碳的方式在基底金属表面制备得到具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物层。该电极的制备方法省去了传统的析氢催化剂电极中使用的导电剂和粘结剂，减少了材料成本，降低了析氢电极制备的复杂程度。所制备的电极具有良好的亲水性，与水的接触角范围为10°～50°，在酸性和碱性环境中都具有较好的析氢效果和析氢稳定性，且具备广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极及其一步制备法。

背景技术

随着化石燃料的枯竭以及化石燃料大量使用造成的环境污染问题的加剧，环境友好型新能源的开发已经成为当今社会亟待解决的十大问题之一。在众多新型能源中，氢气具备较高的燃烧值，且燃烧后产物为水，避免了污染物的产生，是一种极有前景的可再生清洁能源。电解水制氢是被认为是最清洁的产氢方式，且其产氢纯度较高，但由于目前工业上应用的镍基合金析氢电极析氢过电位较高，生产氢气能耗较大，严重阻碍了当前电解水制备氢气的发展。

过渡金属碳化物具有与铂族金属相似的d带电子结构，相应表现出类铂的电催化性质，因而常被研究用作析氢催化剂。目前的过渡金属碳化物析氢催化剂主要以粉末状为主。通常将粉末状过渡金属碳化物与导电剂和粘结剂混合，然后固定于导电基底上，用作析氢电极。该电极用作析氢电极有几点不足：(1)导电剂和粘结剂的添加容易造成催化剂活性位点的遮盖，造成析氢电极催化活性降低；(2)析氢电极在电解液中的润湿性会因为导电剂和粘结剂的添加变差，表面生成气泡难以及时分离；(3)在工业生产中较大的电流密度条件下，析氢电极上粉末状催化剂在析氢过程中容易出现脱落现象，降低了析氢电极稳定性；(4)导电剂以及粘结剂的添加增加了生产过程中的材料成本和工艺复杂度。因此，开发一种制备方法简单、析氢性能好、稳定性高的析氢电极十分有必要。

现在也出现了通过负载的方法将催化剂搭载到析氢电极上，但多以贵金属、合金为主，成本高，制备方法复杂，而且有的析氢电极只在碱性介质或者酸性介质中适用，不能在所有的介质中保持高效率。如中国发明专利(申请号：201811602107.8申请日：2018-12-26)公开了一种多孔镍基铜铼复合析氢电极的制备方法、中国发明专利(申请号：201310355681.9申请日：2013-08-15)公开了一种多孔镍基钌氧化物复合析氢电极的制备方法、中国发明专利(申请号：201611121400.3申请日：2016-12-08)公开了一种有序介孔碳负载纳米铱基电催化析氢电极及其制备及应用等等。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极及其一步制备法，该析氢电极析氢过电位低、析氢稳定性高，可在全pH电解质中长期稳定使用，且其制备方法操作简单，绿色环保，有利于实现大规模生产。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极，包括可渗碳型金属基底和具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物涂层，所述多孔碳化物涂层厚度为0.01μm～200μm，所述多孔碳化物涂层孔径为5nm～500nm。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的具有蜂窝状微观结构的多孔碳化物析氢电极进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述多孔碳化物涂层厚度为11μm～50μm，进一步为11μm～50μm，所述多孔碳化物涂层孔径为12nm～80nm。作为上述技术方案的改进，所述可渗碳型金属包括W、Mo、Ti及其合金，或者含有W、Mo、Ti及其合金涂层的金属或合金。