[发明专利]具有定向孔的镍或镍合金多孔材料及其制备方法和在析氢电极中的应用

说明书

本发明公开了一种具有定向孔的镍或镍合金多孔材料及其制备方法和在析氢电极中的应用。该方法通过将水基镍或含镍及含合金元素粉末混合浆料注入模具中，利用冷冻温度场使水基浆料定向凝固成型，将所得冷坯冷冻干燥去除冰晶，然后在氢气气氛中脱除粘结剂，高温烧结制备出镍或镍合金多孔材料。通过控制浆料中粉末成分可实现不同成分镍基合金的制备，通过固相含量以及冷冻条件，可以对合金的孔隙率、孔径和微结构进行精细调控。本发明具有工艺简单，原料来源广，可制备高孔隙率和高透气度的不同成分镍基合金多孔材料。本发明制备的多孔材料有助于电解水过程中氢气的释放，可降低析氢过电位，提高电解效率，在电解水析氢领域具有应用潜能。

技术领域

本发明属于多孔金属材料制备技术领域，具体涉及一种具有定向孔的镍或镍合金多孔材料及其制备方法和在析氢电极中的应用。

背景技术

当前，由于煤、石油、天然气等传统化石燃料的过渡开发和使用，引发了全球性环境污染和能源危机。相比较而言，氢的能量密度(140MJ/kg)是普通固体燃料(50MJ/kg)的两倍多，且燃烧产物为水，被认为是替代化石燃料，解决能源危机和环境危机的理想能源之一。目前全球每年生产氢气约40亿吨，其中95％来自于烃类水蒸气重整工艺，原料主要为天然气和石脑油等，但较低的能量转化效率和含碳物质残留等问题导致氢产物成本高、纯度低。近年来，以太阳光等清洁能源电解水制氢(HER)由于反应高效易控、无CO₂污染、所得氢气纯度高等优点而被广泛研究，并有望实现大规模生产。多孔Ni由于Ni原子外层具有未成对的d轨道电子，在电催化析氢反应过程中容易与氢原子1s轨道配对形成Ni-H，因而能够对析氢反应起到很好的电催化促进作用，通过引入其他元素与镍形成二元、三元甚至多元化合金，可以促进析氢电催化活性的提高。定向多孔Ni基合金中的定向孔更有利于氢气的释放，可以加速电解析氢。

目前常见制备多孔镍及合金的方法有：电化学和气相沉积法、熔体金属发泡法、粉末冶金法以及脱合金法等。电化学和气相沉积法主要用来制备膜材料，且其孔结构受前驱体的影响较大；熔体金属发泡法需很好的控制熔体的粘度，制备的多孔材料开孔率低。粉末冶金法通常需加造孔剂，获得合金的孔径不均匀，且孔隙率依赖造孔剂含量。脱合金法可制备孔径较小的多孔镍，但其孔隙率受合金成分制约，且制备的样品小，在实际应用中受到限制。

冷冻浇注是在一定的温度场下对浆料进行定向冷冻凝固，使粉末颗粒在冰晶体的定向生长过程中在冰晶的推挤排斥力作用下进行聚集重排，所得冰坯经真空冷冻干燥处理，最后留下以冰为模板的具有定向排列的多孔层状结构。此法以水为介质，具有环境友好的特点，工艺也相对简单，可获得不同成分、孔隙率和孔径大小可控的多孔体。报道采用此法制备多孔镍的论文只有两篇，一篇采用镍粉为原料，加入CMC和明胶作为粘接剂，冷冻时将装有浆料的模具放入酒精浴中，所得孔为蜂窝状孔，不具有定向孔结构特征。另一篇采用氧化镍粉末为原料，PVA为粘接剂，采用单向温度场进行冷冻，由于冷冻过程中粉末颗粒密度大，不会完全沿着冰的生长方向重排，制备的多孔镍并没有形成大范围的定向定向孔结构。韩国的OH等采用氧化铜粉末为原料，莰烯为溶剂，将混好的浆料在-25℃下冷冻，获得的多孔铜孔径不均匀，不具有定向孔结构。2015年公开的中国矿业大学一项专利(一种利用氧化铜粉末制备复杂形状多孔铜的方法)，将氧化铜和水配成的浆料，聚乙烯醇做为粘接剂，直接放入低温冷冻箱内冷冻，获得的孔隙为蜂窝状孔，不具有定向孔结构，且孔径大小不均匀。

基于上述理由，提出本申请。

发明内容

针对现有技术上述存在的问题或缺陷，本发明的目的在于提供一种具有定向孔的镍或镍合金多孔材料及其制备方法和在析氢电极中的应用。

本发明利用定向温度场使水基含镍粉末浆料定向凝固成型，冷冻干燥去除冰晶后在氢气气氛中脱除粘结剂和增稠剂等有机物，高温烧结制备出镍或镍合金多孔材料。通过控制浆料中合金成分、固相含量以及冷冻条件，可实现对多孔镍及镍合金成分、孔隙率、孔径和微结构进行精细调控。

为了实现本发明的上述第一个目的，本发明采用的技术方案如下：