[发明专利]一种表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极及其制备方法，属于材料科学技术领域以及电催化制氢领域。

背景技术

氢能，因高能量密度、高转换效率、清洁无污染等优势，成为家喻户晓的新一代清洁能源。但是，氢气只是一种能量载体，不是能量来源。因此，制备氢气的方法，决定了氢气所储存的能量是否属于清洁能源。出于工业成本考虑，化石燃料制氢占世界氢气制备总量的96％，天然气占48％、石油占30％以及煤占18％，只有剩余不到4％为电解水制氢。然而，只有电解水制氢不会产生温室及有害气体，是真正的绿色制氢技术。

高能耗是制约目前电解水制氢发展的最大屏障。充分的工业研究显示，改善析氢电极催化活性是降低制氢能耗的有效手段。上世纪70年代，Norsk Hydro公司率先采用电沉积方法在多孔C/Ni基体上制备出具有高活性的镍硫合金析氢电极。此后，镍硫合金一直是非贵金属高活性析氢电极的代表。但在不断的研究中，人们发现镍硫合金由于是金属-非金属型合金，因此合金的脆性往往较大，表现为镀层表面贯穿裂纹较多。这使得镍硫合金在析氢过程中易于出现镀层脱落现象，进而影响镍硫合金析氢电极在电催化过程中的稳定性。

因此，研究和开发表面性能稳定的镍硫合金析氢电极具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极及其制备方法，通过改善镀层表面的稳定性，解决现有镍硫合金析氢电极镀层易脱落、稳定性差等缺点。

本发明的技术方案是：

一种表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极，该电极以金属镍为载体，镍硫镀层为表面活性层，并通过控制沉积电流密度调控镀层内含硫量，形成具有镍硫梯度镀层的析氢电极。

所述的表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极，镍硫梯度镀层共分为三层：低S层、中S层和高S层，低S层、中S层和高S层的厚度依次为7～9μm、10～12μm、4～6μm；其中，低S层，S含量为15～20at.％；中S层，S含量为25～30at.％；高S层，S含量为35～40at.％。

所述的表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)室温下，将镍基基体在异丙醇中脱脂除油5～15min，用超纯水进行清洗；然后，放入摩尔浓度为2～4M的盐酸中酸洗活化处理3～5min；最后，放入超纯水中超声清洗1～3min并烘干待用；

(2)按以下配方配置镍硫镀液：硫酸镍250～300g/L，氯化镍40～50g/L，硼酸35～50g/L，十二烷基硫酸钠0.05～0.1g/L，硫代硫酸钠70～100g/L，其余为去离子水；

(3)将步骤(1)中预处理后的基体放到镍硫镀液中作为阴极，镍板作阳极，两电极之间保持30～40mm距离；前后共三次改变沉积电流完成电镀操作：先控制电流密度为30～35mA/cm²，沉积时间为5～10min；再改变电流密度为15～20mA/cm²，沉积时间为10～15min；最后保持电流密度为8～10mA/cm²，沉积时间为15～20min；及时监控镀液pH值，保证镀液pH在3.5～4.0之间；

(4)将步骤(3)所制备的析氢电极放入摩尔浓度为0.5～2.0M的NaOH中，在5～15mA/cm²电流密度下，阴极电解活化5～10h；然后，用超纯水清洗5min，烘干后备用。

所述的表面镀有镍硫梯度镀层的析氢电极的制备方法，镍基基体为平板或网状金属镍。

本发明的设计思想是：

本发明电极以镍硫镀层为表面活性层，采用电沉积法，并通过改变沉积电流密度，调控镀层内含硫量。通过镀层内硫含量的梯度设计，降低镍硫镀层的内应力，改善镀层表面状态，从而提升电极的电解稳定性。本发明所制备的析氢电极在保留镍硫电极高析氢活性的同时，增强了电极稳定性，且制备工艺简单，适用于大规模生产。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下优点和有益效果：

1、稳定性好。本发明制备的镍硫梯度析氢电极，降低了镀层的内应力，消除了电极表面裂纹。

2、制备工艺简单、成本低。仅通过沉积电流的改变来控制镀层内的含硫量。而且，电镀技术工艺成熟，便于实施工艺移植。电镀设备投入少，加工及维护成本低。

附图说明

图1为本发明所制备电极截面的微观电镜图及S含量分布情况。

图2为本发明所制备电极表面的微观电镜图。

具体实施方式