[发明专利]镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极及其制备方法

说明书

本发明揭示了一种镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极及其制备方法，所述复合析氢析氧电极包括镍网及均匀生长于镍网上且呈非晶‑结晶结构的镍钴硫三元复合材料，所述镍钴硫三元复合材料呈密集多孔的珊瑚状结构。本发明通过简单、经济、易于实现工业化的制备条件或方法，能制备出高效、高稳定性且价格低廉的工业电解水电极，降低了工业电解水析氢和析氧过电位，提高了工业电解水的效率，促进了工业电解水制氢的产业化发展。

技术领域

本发明属于工业电解水制氢技术领域，具体涉及一种镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极及其制备方法。

背景技术

化石燃料的不断消耗和全球变暖等环境问题日益突出，开发可持续的清洁能源对人类的发展至关重要。氢气具有零污染、高能量密度、来源丰富等特点，是化石燃料最具潜力的替代品之一。经过多年的发展，碱性电解水制氢是当前大规模工业电解水制氢的主流，具有技术成熟和工作寿命长等优点，但瓶颈是能耗偏高导致制氢成本过高。电解水制氢系统主要由覆盖催化材料的电极、电解液以及隔膜组成。虽然常温下的理论电压为1.23V，但实际上需要施加高于此电压才能实现水的分解。额外加上去的电压(也被称为过电位)起因主要包括：(1)由电解液、隔膜、电极等产生的反应体系电阻压降；(2)阳极发生析氧反应(OER)和阴极发生析氢反应(HER)所需的过电位。前者主要与电解槽的设计和电解质的选择有关，可以通过优化电学接触、提高电解液的离子浓度和温度等方法来降低；后者则与电极材料本征性质(如催化活性)和电极表面状态(如多孔状态)等密切相关。因此，电解水制氢的核心问题是电极材料。

近年来，Ni基电催化剂(包括合金、氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物和氮化物等)凭借其成本低廉、组成多样、丰富的化学价态和良好的催化活性等诸多优势，在碱性电解水制氢方面得到了广泛关注。目前，雷尼镍(Raney-Ni)是电解水制氢工业上广泛采用的电极材料，具有长达数十年的稳定性，但是其HER和OER催化活性不高，限制了一定电压下电流密度的提升，需要有新型电极催化材料替代。研究表明在Ni金属中加入其它金属元素(比如Co、Fe和Mo)形成多元合金可以实现优势互补和相互作用，显著提高催化剂的HER和OER活性。另外，通过S和P等非金属元素掺杂可以调控Ni基材料表面形貌，形成“多孔”结构，以提供更多的催化活性位点。总之，采用其它元素掺杂Ni基催化材料，即“多元”+“多孔”路径，可以大幅提升其单个催化位点的本征活性和催化活性位点。另外，合理地调控催化剂的结晶度也被认为是一种提高其催化活性的有效策略。

值得留意的是，目前新型电极催化材料研究大部分还局限在实验室条件：工作电流密度较小(～10mA/cm²)，室温(～25℃)，低浓度电解质(～1M KOH)，因为电极产氢产氧量少，很少用隔膜；而实际工业电解水制氢条件(简称工业条件)下：工作电流较大(300mA/cm²)，温度较高(60-80℃)，电解质浓度很高(5M-10MKOH)，需用隔膜。受限于工业电解水的大电流密度、高浓度和高温电解质等苛刻工作条件，研发新型电极催化材料，并采用简单、可大规模制备的方法将其集成到工业电解水制氢系统的探索还比较缺乏。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极，所述复合析氢析氧电极包括镍网及均匀生长于镍网上且呈非晶-结晶结构的镍钴硫三元复合材料，所述镍钴硫三元复合材料呈密集多孔的珊瑚状结构。

本发明另一实施例提供的技术方案如下：

一种镍钴硫/镍网复合析氢析氧电极的制备方法，所述制备方法包括：

S1、将六水合硫酸镍、七水合硫酸钴、硫脲、硼酸的混合物溶于去离子水中并搅拌，得到镍钴硫电沉积液；