[发明专利]一种析氢电极材料性能的优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种析氢电极材料性能的优化方法，利用该方法能够高效快捷地提升电极材料的性能，属于电极材料技术领域。

背景技术

随着材料科学理论的不断发展，计算材料学开始在材料设计领域发挥着重要作用。以往对材料性能变化规律的掌握，需要大量的实验支撑，因此不但人力物力消耗较大，而且新材料的研发周期较长。发展新型、高效、快捷的材料性能优化方法，对于推动材料科学及相关产业的发展有重要意义。

氢能源作为一种理想的二次能源已经受到世界各国广泛关注。它使用能效高，废弃物产生少，资源丰富，燃烧热值高。发展氢能将成为提高能效，降低石油消费，保证能源安全，改善生态环境，实现能源多元化发展的重要途径之一。为应对可再生能源如风能、太阳能发电的季节性和气候条件影响，实现平稳供电和并网，储能技术必不可少。氢作为清洁的能源，也是重要的储能选择之一，它将与可再生能源等发展紧密结合。

电解水制氢是其中一种应用广泛且相对成熟的制氢方法。水电解制氢设备的核心部分是电解槽，电极材料是电解槽的关键部分。电极性能的好坏在很大程度上决定着水电解槽电压高低和能耗大小，直接影响着生产成本。开发价格低廉、性能优越的电极材料，将大力地推进我国氢能事业的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种析氢电极材料性能的优化方法，采用该优化方法可以简单快捷地获取电极材料性能的数据，与传统实验方法相比，大幅度减少了人力物力的支出，同时提高了科学研究的效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种析氢电极材料性能的优化方法，包括以下步骤：

(1)获取电极材料表面特征：从电极材料数据库中选择需优化的电极材料，将材料特征输入专家数据库检索同类型材料，依据专家数据库信息构建析氢反应表面或者通过量子力学第一性原理计算模拟探索析氢反应表面；

(2)获取电极材料与氢原子键能：通过模拟手段获取电极材料与氢原子键能；

(3)模拟计算与实验偏差的评估：将键能数据与实验值进行比较，评估误差并进行键能数值修正；

(4)通过量子力学第一性原理模拟应变与M-H键能的关系曲线，从而确定优化电极材料性能所需的应变范围，最终根据以上结果通过改变衬底材料的种类或者施加外应力的方法调节电极材料的应变，完成析氢电极性能的优化。

其中，电极材料数据库和专家数据库由文献、模拟以及实验所积累的数据组成。量子力学第一性原理是不依赖任何经验常数，通过求解薛定谔方程得到材料电子结构，进而预测材料组分、结构、性能之间关系的一种方法。

在本发明的优化方法中，电极材料表面特征的获取方式有两种：一是直接从专家数据库中检索同类型材料发生析氢反应的表面，这类表面往往是惯析面，具有表面形成能低、稳定等特点；二是基于量子力学第一性原理模拟获取同类材料能量最低的表面。电极材料与氢原子键能的获取方式有两种：一是通过专家数据库，获取基于量子力学第一性原理模拟的金属与氢原子键能；二是基于量子力学第一性原理模拟探索H原子在电极材料表面最稳定的占据位置，并获取对应的键能。

在本发明的优化方法中，模拟计算与实验偏差评估是必不可少的关键步骤之一。目前比较流行的析氢理论是迟缓放电理论和复合理论。通常认为在碱性或中性介质中的电极反应基本过程如下：

[1]电化学反应：产生吸附在电极表面的氢原子H₂0+e+M-MH+OH^-；

[2]复合脱附：MH+MH-2M+H₂；

[3]电化学脱附：MH+H₂0+e-H₂+M+OH^-。

在上述析氢过程中，可以发现析氢电极的催化活性大小，主要取决于吸附氢和脱附氢的速度。其中M为电极材料，M-H键的键强度较强时有利于电极对氢的吸附；M-H键的键强度较弱时有利于氢在电极上的脱附。因此，通常情况下，可以通过调节电极材料M的电化学活性、电子结构以及电极形状、表面形貌等内在因素和温度、镀层厚度等外在因素来调节M-H键的强度。

然而，模拟计算和实验往往存在着偏差。实验中获得的M-H键能数据，表示析氢电极材料与H的平均键能，然而模拟计算中往往给出析氢电极材料与H的最大键能。两者数值上存在着一定的偏差。因此，为了保障基于量子力学第一性原理模拟计算的结果调节实验中电极材料M的催化性能的可靠性，需要进行键能数值修正。