[发明专利]镍磷/磷化镍-碳布三维自支撑析氢电极材料的制备方法

说明书

本发明涉及镍磷/磷化镍‑碳布三维自支撑析氢电极材料的制备方法，属于氢电极材料制备的技术领域，其先在酸浸渍改性处理的碳布上水热反应生长氢氧化镍，之后对氢氧化镍进行磷化处理得到磷化镍‑碳布三维自支撑材料，然后在磷化镍‑碳布上电沉积镍磷合金，继而制备了不需额外粘结、电催化析氢性能优异的镍磷/磷化镍‑碳布三维自支撑型电极材料。本发明具有技术工艺简单、成本低廉、易于工业化应用，本专利所制电极材料内部孔道丰富且互通，其导电性能优良、比表面积大、电催化活性点位多，所制镍磷/磷化镍‑碳布三维自支撑电极材料在氢能源开发和应用领域有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及镍磷/磷化镍-碳布三维自支撑析氢电极材料的制备方法，属于氢电极材料制备的技术领域。

背景技术

社会经济的快速发展导致的环境污染严重、能源迅速消耗，资源匮乏等问题，迫切需要清洁可再生能源的开发和应用，在众多清洁能源中，氢能作为一种经济、高效、可持续的绿色能源，是最为理想的能源载体之一，其受到了越来越广泛的关注。在多种制氢技术中，水电解离制氢被认为是通往“氢经济”的最有效途径之一。然而在实际应用中，水电解离制氢往往需要克服较高的析氢过电位，从而造成较高的能源损耗，为有效解决水电解离析氢过电位过高的技术瓶颈，高效催化材料的应用是突破此瓶颈的技术关键。Pt族类材料电催化析氢活性最高、但其储量有限、价格高昂，难以规模化推广应用。因此，开发低成本、高活性、环境友好的析氢电催化材料是实现氢能源开发和工程应用的关键。

在众多非贵金属电催化材料中，过渡金属磷化物由于其独特的电子结构以及类金属特性，是催化反应活性高、稳定性好和成本效能佳的析氢电催化材料之一，其具有代替Pt基电催化材料的潜质。在众多金属磷化物中，磷化镍具有类同[NiFe]氢化酶的水解离析氢活性，是一种很有潜力的析氢催化材料。镍磷合金早先是用作防护性镀层，近些年来其在水电解离析氢的应用才得到关注。用于水电解离析氢的镍磷合金镀层一般为非晶和混晶形态，其具有表面光亮、均匀、硬度高、耐磨性好、非磁性等特性。在镍磷合金镀层制备方面，电镀和化学镀工序应用较多，镀液多为硫酸镍-亚磷酸盐体系，其特点是镀液配制简单、稳定性好，所得镀层致密、结合力好，但电镀和化学镀工序制备的镍磷合金镀层活性点位少，析氢性能距离工程应用要求尚有差距。当前，水电解离析氢所用磷化物催化材料大多采用溶液水热合成工序和高温固相还原工序制备，其形态多为粉体，需在溶剂中充分分散，之后再利用Nafion溶液和聚偏氟乙烯有机溶液等粘结剂将其固定在导电载体上，这样催化电极的催化剂负载量有限，且粘结剂会降低电极材料的电传导性能，同时还存在粘结剂会包覆和遮蔽催化剂的部分活性点位，降低其催化性能；此外，长时间电解过程中，活性催化材料易从电极表面脱落，致使水电解离析氢催化电极稳定性差。因此，以多孔导电材料为载体、增大电极活性面积，同时应用原位生长技术在电极材料表面载负活性催化组分，避免和减少粘结剂与导电剂使用，制备析氢性能优异的三维自支撑电极是水电解离析氢领域重要发展动向，国内外学者为此开展了诸多研究工作。公开号为CN108380227的专利公开了一种析氢电催化材料及其制备方法，其以红磷和自制的球形金属镍粉末以及质量分数为3%的石墨烯为主要原料，使用压片机对原料进行预成型处理，再在高温下发生原位反应，制备了一种三维多孔自支撑型磷化镍析氢电催化材料，该技术虽然能够保证催化剂组分与基底间有较高的结合强度，但其催化析氢活性欠佳，与贵金属Pt基催化材料仍有较大差距。公开号为CN106498434的专利公开了一体化镍基多孔磷化镍电极的制备方法，以泡沫镍为基底，首先对泡沫镍基底进行化学刻蚀制得镍基多孔镍前驱体，再采用固相还原法进行原位磷化，所制材料虽然表现出优异的析氢性能，但析氢电极活性材料的稳定性差、易于流失。基于目前析氢催化电极制备过程中，催化剂需使用粘结剂粘结固定、磷化镍组分导电性差、电极析氢活性位点少的技术缺陷，探究导电性能好、活性面积大、活性组分负载量高、液相传质速率快、工艺简便的三维自支撑析氢电极材料的设计和制备方法，是水电解离制氢的重要发展内容。

发明内容