[发明专利]一种Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴极材料及其制备方法和用途，具体地，涉及一种在光电催化分解水制氢体系中使用的Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料，及其制备方法。

背景技术

能源作为世界经济的命脉和社会发展的动力，受到了各国的高度重视。然而，占世界能源供给90％的化石燃料的储量在日益枯竭。同时，随着经济的发展，能源的生产、转换和使用带来了严重的环境污染、生态系统破坏和气候改变等问题，对人类自身的生存与发展构成了严重的威胁。科学家认为，氢能在21世纪能源舞台上将成为一种举足轻重的能源。利用氢能是解决我国能源问题和挑战的有效途径，同时也是实现我国可持续发展的重要保证，在中国有着光明的前景。

目前制备氢的方法非常多，而通过太阳能光解水制氢是一个既环保又经济的有效方法。光电催化分解水制氢，减少了电子-空穴对的复合，使得电子-空穴对的分离效率提高，且能在两极上分别获得氢气和氧气，且能有效收集到氢气。光电催化分解水制氢利用太阳能和水制得氢气，没有副产品，无污染，显示了强大的优势和发展潜力。

在光电催化分解水制氢体系中常用阳极材料为WO₃、Fe₂O₃、TiO₂、(Ga_1-xZn_x)(N_1-xO_x)、Co-SrTiO₃等，常用阴极材料为铂片、碳载铂、钯、钌等贵金属，但是常用贵金属阴极材料的价格昂贵，而石墨碳等材料产氢效果较差，影响了光电催化分解水制氢技术的推广应用。

合金材料可以在很大程度上降低析氢过电位，尤其是过渡金属合金，有很优越的析氢性能。根据Brewer-Engel价键理论，在析氢过程中电极表面要同时具有成对的d电子和半空的d轨道，这样才有利于析氢过程中电子的传递，以及H的吸附和脱附，形成所谓的协同效应，得到催化活性较高的镀层。从“火山效应曲线”图中可以看出，处在曲线的上升段的金属，对H的吸附相对较弱，而处在下降段的金属对H的吸附较强，研究表明，分处曲线两端的金属形成的合金能够显示出很好的协同效应，可以得到析氢性能优良的合金电极，如Ni-Mo合金。

在针对用于光电催化分解水制氢技术的合金材料的制备上，目前已有材料有如下分类：两元合金(Ni-Mo、Ni-V，Ni-W，Ni-Mo，Fe-Mo，Co-Mo几种合金，其中Ni-Mo合金做阴极的析氢过电位最低)、三元合金(Ni-Mo-Fe、Ni-Mo-Cu、Ni-Mo-Zn、Ni-Mo-W、Ni-Mo-Co、Ni-Mo-Cr、Ni-Zn-P、Ni-Co-W、Ni-W-B等)、多元合金(Co-W-B-P、W-Ni-Fe-Co等)。

例如，CN200410061157和CN200510018226这两篇专利涉及以钛镍合金为基底化学镀Ni-Co-W合金，但是其用途为医用药物载体，并没有相关光电催化分解水制氢的用途表述。文献Journal of Alloys and Compounds489(2010)488-492，报道了以Cu为基底电沉积方法合成Ni-Co-W合金的相关工艺，并测试了相关性能，但是也没有在光电催化分解水制氢体系上的相关应用报道。

发明内容

为了促进光电催化分解水制氢技术的发展，发明人在综合考虑了析氢性能、耐酸腐蚀性能、析氢稳定性等参数的情况下，利用合金材料、尤其是过渡金属合金，可以在很大程度上降低析氢过电位的特性，设计合成了一种Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料。

为此，本发明提供了下列几个方面：

<1>.一种Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料，其中所述Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料包括基底以及形成在基底上的Ni-Co-W-Cu-B合金镀层，其中基于所述合金镀层的总质量计，Ni为26.5质量％～36.6质量％、Co为6.6质量％～9.2质量％、W为50.8质量％～60.7质量％、Cu为2.3～4.6质量％，以及B为0.8～2.4质量％。

<2>.根据<1>所述的Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料，其中所述基底为铜片或铜网。

<3>.一种用于制备<1>所述的Ni-Co-W-Cu-B多组分阴极材料的方法，所述方法包括如下步骤：

提供适合在光电催化分解水制氢中使用的金属作为基底；