[发明专利]一种电解水制氢电极材料及其制备方法

说明书

本发明提出了一种电解水制氢电极材料及其制备方法，属于电解水技术领域，将镍盐、钴盐和铁盐与二甲基咪唑反应制得Fe掺杂Ni/Co‑MOF材料，表面经聚多巴胺包覆改性后，与含氧化石墨烯、六氟磷酸铵、苯胺的混合溶液混合，加入引发剂聚合，并用氨水和水合肼还原，在高温下炭化后制得复合材料，与炭黑混合均匀，球磨，制得电解水制氢电极材料。本发明制作成本低，制备方法简单，使用实验室常用的设备，不需专用设备，制得的材料具有优异的抗碱腐蚀性能和更优异的的电解水析氢能力，超1000小时的电催化稳定性，在高效电解水制氢方面有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电解水技术领域，具体涉及一种电解水制氢电极材料及其制备方法。

背景技术

氢气因其具有储量丰富、能量密度高、清洁无污染等优点，被认为是一种理想的新型能源载体。在众多的制氢技术中，电解水制氢是一种无污染、制氢纯度高、制备工艺简单的制氢方法，是实现工业化制氢的重要手段。然而，由于极化现象的存在，水分解反应实际所需电位远高于其理论电位，导致能耗增加，效率降低。目前贵金属铂及其合金是最为有效的析氢催化剂，但价格高昂、资源稀少以及电化学稳定性较差等不足限制了其规模化应用。因此，开发高催化活性和稳定性的非贵金属电极材料迫在眉睫，是当前电解水制氢技术的研究热点。

目前工业上制氢的方法主要有：一是将水蒸气通过灼热的焦炭（称为碳还原法），得到纯度为75%左右的氢气；二是将水蒸气通过灼热的铁，得到纯度在97%以下的氢气；三是由水煤气中提取氢气，得到的氢气纯度也较低；第四种方法就是电解水法，制得的氢气纯度可高达99%以上，这是工业上制备氢气的一种重要方法。采用该方法制氢成本低、氢气含量高，可以满足氢燃料电池的需要。但采用该方法制氢过程中也会发生各种副反应会给体系引入杂质气体，从而给氢气的净化带来一定干扰。Raney Ni是一种作为电解制氢的多孔阴极材料，但其存在孔径过小（往往小于10nm），析氢过程中氢气堵在孔内不能及时排除，活性降低等问题。

中国专利申请CN110038613A中，公开了将泡沫镍浸渍到含有Fe系金属盐的Tris-HCl缓冲液中，加入多巴胺后搅拌，经过清洗、干燥，得到泡沫镍-聚多巴胺-铁系金属杂化材料，最后在管式炉中经过高温磷化得到自支撑铁系金属磷化物/碳复合材料。但是所得材料的表面形貌尺寸较大、不均匀，因此催化性能很差，限制了其进一步发展。

中国专利申请CN109956458A中公开了以过渡金属盐和多元醇为原料，通过溶剂热法、水热法和高温固-气磷化法制备出中空纳米球状磷化物。然而，由于所制备的催化剂是粉末状的，使用过程中需要工艺制备，使得活性位点不能充分暴露，从而性能较差。

中国专利CN109590002B通过制备含有磷源和金属源的水凝胶，然后将制备的水凝胶在保护气下高温煅烧，得到过渡金属磷化物析氢材料。虽然原料来源广泛，价格低廉。但是，此制备工艺复杂，步骤繁琐，并且最终仍然使用需要玻碳电极的协助；同时产氢过程中气泡和材料表面有较强的结合力，影响析氢性能。因此，和理想的析氢电极材料还有很大差距。

中国专利CN109772385B是将过渡金属或者过渡金属化合物分散于蒸馏水中，然后和植酸混合烘干至胶状，随后经过微波炉的焙烧，在管式炉中先后H₂煅烧还原和含有低浓度氧气的惰性气体中炖化，最终才得到碳自负载的金属磷化物催化剂。得到的样品中，碳膜包裹着催化剂免受氧化，但是此工艺复杂，并且管式炉中需要通入各种气体，具有一定的危险性，因此限制了其进一步商业应用。

中国专利CN104630822B是将泡沫镍或者经过金属修饰的泡沫镍在管式炉气氛中，利用固态红磷为磷源，进行气-固反应，最终形成一种自支撑三维多孔模式过渡金属磷化物析氢电极。所得电极催化性能良好，耐酸性、中性、碱性环境，但是由于泡沫金属的制备工艺复杂，制备成本高，因此不适合进一步商业发展。