專利名稱：一種電解水制氫電極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電極的制備，特別涉及一種電解水制氫電極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
能源和環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)必要條件。燃料電池以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有希望的汽車動(dòng)力源，其廣泛應(yīng)用可以緩解能源和環(huán)保兩方面的壓力。與甲醇、其他化石燃料相比，氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、浮法玻璃、精細(xì)化工等領(lǐng)域。氫作為能源，是未來發(fā)電、電動(dòng)汽車用燃料電池的燃料。以氫氣作燃料，氧氣作氧化劑，通過燃料的燃燒反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臍溲跞剂想姵?，是很有發(fā)展前途的新的動(dòng)力電源。該電池具有轉(zhuǎn)換效率高、容量大、比能量高、功率范圍廣、不用充電等優(yōu)點(diǎn)。目前工業(yè)上電解水制氫的方法主要有一是將水蒸氣通過灼熱的焦炭(稱為碳還原法)，得到純度為75%左右的氫氣；二是將水蒸氣通過灼熱的鐵，得到純度在97%以下的氫氣；三是由水煤氣中提取氫氣，得到的氫氣純度也較低；第四種方法就是電解水法，制得的氫氣純度可高達(dá)99%以上，這是工業(yè)上制備氫氣的一種重要方法。采用該方法制氫成本低、氫氣含量高，可以滿足氫燃料電池的需要。但采用該方法制氫過程中也會(huì)發(fā)生各種副反應(yīng)會(huì)給體系引入雜質(zhì)氣體，從而給氫氣的凈化帶來一定干擾。Raney Ni是一種作為電解制氫的多孔陰極材料，但其存在孔徑過小(往往小于10nm)，析氫過程中氫氣堵在孔內(nèi)不能及時(shí)排除，活性降低等問題。本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)在于采用較細(xì)的N1、Al粉制成孔徑呈正態(tài)分布的多孔材料，并引入到電解制氫領(lǐng)域，開拓了多孔金屬間化合物的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種具有豐富比表面，且孔徑相對較大的多孔陰極材料，即一種具有高比表面、高催化活性的電解水制氫電極材料及制備方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是—種電解水制氫電極材料的制備方法，所述方法按如下步驟進(jìn)行(1)冷壓成型將Ni粉與Al粉混合制成混合物，然后將混合物冷壓成型制成壓坯；所述的Ni粉和Al粉的粉末粒徑均為I 15 μ m,基于所述的所述的Ni粉和Al粉,所述的Ni粉重量80 95%,所述的Al粉重量的5 20% ; (2)燒結(jié)、冷卻將壓坯在IX 10_2 IX 10_3Pa的真空條件下加熱至350 500°C，保溫60 90min，然后升溫至700 950°C，保溫30 120min，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料。進(jìn)一步,所述Ni粉平均粒徑為1 8 μ m。進(jìn)一步,所述Al粉平均粒徑為1 8 μ m。進(jìn)一步,所述Ni粉重量為Ni粉與Al粉總重量的85 95%。進(jìn)一步，步驟(I)所述混合物冷壓成型是在80 300Mpa下保壓10秒鐘的條件下進(jìn)行，優(yōu)選在150Mpa下保壓10秒鐘的條件下進(jìn)行。
進(jìn)一步，步驟(2)所述燒結(jié)、冷卻的條件為將壓坯在lX10_3Pa真空條件下以5 80C /min的速率勻速升溫至350 500°C，保溫60 90min，然后再以5 8°C /min的速率勻速升溫至700 950°C，保溫30 120min，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料。更進(jìn)一步，本發(fā)明所述電解水制氫電極材料的制備方法推薦為(1)冷壓成型將Ni粉與Al粉混合制成混合物，然后將混合物冷壓成型制成壓坯；基于所述的Ni粉和Al粉，所述的Ni粉重量85 95%，所述的Al粉重量的5 15% ;所述Ni粉平均粒徑為3 8 μ m，所述Al粉平均粒徑為3 8 μ m ; (2)燒結(jié)、冷卻將壓坯在I X 10_3Pa真空條件下以5 8°C /min (優(yōu)選5°C /min)的速率勻速升溫至400 500°C,保溫60 80min (優(yōu)選60min),然后以5 8°C /min (優(yōu)選5°C /min)的速率勻速升溫至750 950°C，保溫60 120min(優(yōu)選60min)，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料。本發(fā)明與現(xiàn)有的·技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)本發(fā)明所述電解水制氫電極材料(即N1-Al多孔材料)的制備工藝簡單，燒結(jié)溫度低，制備過程中能耗低。(2)本發(fā)明所制得的N1-Al多孔材料，充分利用細(xì)粉壓坯中粉末粒度之間的間隙孔和燒結(jié)過程中的反應(yīng)造孔，所制得的孔結(jié)構(gòu)尺寸均勻，呈現(xiàn)正態(tài)分布，并且孔隙豐富，孔隙率達(dá)35-45%，多孔陰極材料比表面積大。(3)所制得的N1-Al多孔陰極材料，其骨架結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸細(xì)小，平均晶粒尺寸為14納米左右,具有聞的催化活性。(4)所制得的N1-Al多孔材料具有優(yōu)異的抗堿腐蝕性能，因此其在電解過程中能保持良好的孔結(jié)構(gòu)特性和良好的催化穩(wěn)定性?？傊?，本發(fā)明電解水制氫電極材料，孔徑分布均勻，其具有高比表面、高活性，使用壽命較長，催化效率高，生產(chǎn)方法簡單，成本低，為電解水制氫提供了一種新的陰極材料的選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為實(shí)施例1制備的電解水制氫電極材料的SHM圖。圖2為實(shí)施例1制備的電解水制氫電極材料的孔徑分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此實(shí)施例1電解水制氫電極催化活性測試采用平均粒徑為3微米的鎳粉和平均粒徑為3微米的鋁粉，按Ni粉重量占Ni粉與Al粉總重量15wt%的配比進(jìn)行混料制成混合物，然后將混合物在150MPa的壓力下保壓10秒鐘冷壓成型制成條狀壓還，壓還寬為6mm,厚度為2mm,長度為6mm。將壓還置于I X 10_3Pa真空條件下，首先以5°C /min的升溫速率升至500°C，保溫Ih ;然后以5°C /min的升溫速率升至900°C，保溫Ih ;最后隨爐冷卻至室溫(25°C)，即得所述電解水制氫電極材料。之后采用點(diǎn)焊從電極材料上引出電極線。本發(fā)明電解水制氫電極材料為多孔材料，采用美國康塔儀器公司生產(chǎn)的PoreMaster 60GT壓汞儀測試得出其大部分孔徑分布在I 2微米之間，孔隙度為40%。所制得的電極的微觀形貌圖(SEM)見圖1所示，孔徑分布如圖2所示。測定本發(fā)明的催化活性，具體的工藝參數(shù)如下
本發(fā)明的工作電極的幾何面積Icm2本發(fā)明工作電極的質(zhì)量 0.3g電解制氫控制溫度25 C
電極的粗糙度546.5微米
電解液6M/L KOH水溶液
掃描電位區(qū)間-0.5 -1.35V 掃描速率 10mV/s
測試設(shè)備型號(hào)CHI660C電解活性測定前先用N2趕氣，之后在6mol/L的常用堿性電解液(通常為KOH水溶液)中采用-1. 5V的電解電壓活化5min，靜置15min，之后以10mV/S的速率加載電壓，測定析氫電流密度以及單位面積上有效的電流密度。結(jié)果見表I ,Ni片和泡沫鎳均購自長沙力元新材料有限責(zé)任公司，幾何面積與多孔N1-Al (即本發(fā)明制備的電解水制氫電極)相同。本發(fā)明的N1-Al多孔材料的交換電流密度、起始電位和在相同電位下的電流密度值都顯示該發(fā)明材料的催化活性要遠(yuǎn)優(yōu)于純鎳和泡沫鎳。表I在線性掃描范圍內(nèi)獲得的電極的電催化活性數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述方法按如下步驟進(jìn)行(1)冷壓成型將Ni粉與Al粉混合制成混合物，然后將混合物冷壓成型制成壓坯；所述的Ni粉和Al粉的粉末粒徑均為I 15 μ m,基于所述的Ni粉與Al粉,所述的Ni粉重量為80 95%，所述的Al粉重量為5 20% ; (2)燒結(jié)、冷卻將壓坯在IX 10_2 IX 10_3Pa的真空條件下加熱至350 500°C，保溫60 90min，然后升溫至700 950°C，保溫30 120min，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料。
2.如權(quán)利要求1所述電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述Ni粉粒徑為I 8 μ m0
3.如權(quán)利要求1所述電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述Al粉粒徑為I 8 μ m0
4.如權(quán)利要求1所述電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述Ni粉重量為85 95%。
5.如權(quán)利要求1所述電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述步驟(I)混合物冷壓成型是在80 300Mpa下保壓10秒鐘的條件下進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求1所述電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述步驟(2)所述燒結(jié)、冷卻的條件為將壓坯在I X IO-3Pa真空條件下以5 8°C /min的速率勻速升溫至350 500°C，保溫60 90min，然后再以5 8°C /min的速率勻速升溫至700 950°C，保溫30 120min，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料。
7.如權(quán)利要求1所述電解水制氫電極材料的制備方法，其特征在于所述方法為(1)冷壓成型將Ni粉與Al粉混合制成混合物，然后將混合物冷壓成型制成壓坯；基于所述的Ni粉和Al粉，所述的Ni粉重量85 95%，所述的Al粉重量的5 15%，所述Ni粉粒徑為3 ,8 μ m，所述Al粉粒徑為3 8μπι ;(2)燒結(jié)、冷卻將壓坯在I X 10_3Pa真空條件下以5 ,80C /min的速率勻速升溫至400 500°C，保溫60 80min，然后以5 8°C /min的速率勻速升溫至750 950°C，保溫60 120min，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電解水制氫電極材料的制備方法，所述方法按如下步驟進(jìn)行(1)冷壓成型將Ni粉與Al粉混合制成混合物，然后將混合物冷壓成型制成壓坯；基于所述的Ni粉和Al粉，所述的Ni粉重量80～95%，所述的Al粉重量的5～20%；(2)燒結(jié)、冷卻將壓坯在真空條件下加熱至350～500℃，保溫60～90min，然后升溫至700～950℃，保溫30～120min，冷卻至室溫，即得所述電解水制氫電極材料；本發(fā)明電解水制氫電極材料，孔徑分布均勻，其具有高比表面、高活性，使用壽命較長，催化效率高，生產(chǎn)方法簡單，成本低，為電解水制氫提供了一種新的陰極材料的選擇，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C25B11/04GK103042217SQ20121050870
公開日2013年4月17日 申請日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者董虹星, 劉秋平, 陳文嫻, 賀躍輝 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)