一种电解水制氢电极的活化方法、活化电解水制氢电极的制备方法、电解水制氢电极及电化学装置与流程

本发明涉及电解水，具体涉及一种电解水制氢电极的活化方法、活化电解水制氢电极的制备方法、电解水制氢电极及电化学装置。

背景技术：

1、近年来，由于传统化石能源带来的碳排放问题日益突出，氢能作为一种清洁、高效的可再生能源可代替化石能源在未来的能源体系和大部分工业体系中发挥重要作用。碱性电解水制氢是目前商业化最成熟、使用量最大的绿氢技术。较之于其他制氢技术，碱性电解水制氢技术较成熟可靠，操作简便，制氢过程中无污染，制取的氢气纯度高达99.7～99.9％。碱性电解槽具有10～20年左右的长使用寿命，因此具有成本上的优势和竞争力。

2、电极作为电解水制氢的重要反应场所，一直是电解水制氢技术的关键所在，对提高制氢效率、降低制氢成本起着重要作用。因镍在碱性溶液环境中具有良好的化学稳定性，目前工业碱性电解槽主要采用镍基非贵金属材料作为催化剂电极。镍基电极虽成本低，但仍存在析氢过电位高，导致电解水制氢过程的整体能耗较高的问题。增大电极的有效面积，提高电极的电流密度，是降低制氢能耗的有效途径之一。传统的方法是在镍网上用热喷涂镍颗粒制成的raney镍作为电极材料，raney镍因其多孔性结构可以大幅增大电极的有效面积，但由于涂层与基材之间靠范德华力结合，存在机械强度差、涂层易脱落等问题，难以满足碱性电解槽10～20年的使用寿命需求。

3、基于以上分析，如何开发一种既能有效增大电极活性面积，又能满足长期稳定运行的电极活化方法，以提高碱性电解水制氢效率、降低制氢能耗是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种电解水制氢电极的活化方法、活化电解水制氢电极的制备方法、电解水制氢电极及电化学装置，通过交替进行正向电解和反向电解使电解水制氢镍基电极表面形成花状纳米结构，使电极活性提高且能长时间稳定运行。

2、第一方面，本发明提供一种电解水制氢电极的活化方法，包括如下步骤：

3、(1)基于第一镍基电极、第二镍基电极和碱性电解液构建电解槽；

4、(2)交替进行正向电解和反向电解以使第一镍基电极和第二镍基电极完成活化，得到活化后的电解水制氢电极；

5、其中，进行正向电解时，第一镍基电极为阳极、第二镍基电极为阴极，进行反向电解时，第一镍基电极为阴极、第二镍基电极为阳极。

6、第二方面，本发明提供一种活化电解水制氢电极的制备方法，包括如下步骤：

7、(1)基于第一镍基电极、第二镍基电极和碱性电解液构建电解槽；

8、(2)交替进行正向电解和反向电解以使第一镍基电极和第二镍基电极完成活化，得到活化电解水制氢电极；

9、其中，进行正向电解时，第一镍基电极为阳极、第二镍基电极为阴极，进行反向电解时，第一镍基电极为阴极、第二镍基电极为阳极。

10、第三方面，本发明提供一种电解水制氢电极，其是根据第一方面的活化方法得到，或者由第二方面所述制备方法制得。

11、第四方面，本发明提供一种电化学装置，其包含根据第三方面的电解水制氢电极。

12、有益效果：

13、(1)本发明基于碱性电解液，通过多次交替进行正向电解和反向电解，使电解水制氢的镍基电极反复多次进行氧化还原，镍基电极表面的镍反复多次发生重构形成花状纳米结构，有效活性面积大幅增大，为电催化反应提供更加丰富的活性位点，提高了电极的电流密度；

14、(2)活化后的电解水制氢电极表面密集排列的花状纳米结构具有良好的结构稳定性，在大电流密度工作条件下可长时间稳定运行，提高了碱性电解水制氢效率、降低了能耗；

15、(3)利用电极自身的氧化还原反应促使电极表面发生重构，最终得到稳定的纳米结构，避免了热喷涂法中涂层与基材之间的结合不牢固的问题。

技术特征：

1.一种电解水制氢电极的活化方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的活化方法，其中，所述第一镍基电极和所述第二镍基电极各自独立地选自镍基金属网和/或镍基金属片，优选为多孔性镍基金属网。

3.根据权利要求1所述的活化方法，其中，所述碱性电解液选自氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液；

4.根据权利要求1～3中任一项所述的活化方法，其中，步骤(1)构建的所述电解槽负载电源后进行步骤(2)。

5.根据权利要求4所述的活化方法，其中，所述电源为直流电源。

6.根据权利要求5所述的活化方法，其中，步骤(2)中通过改变所述直流电源与所述第一镍基电极和所述第二镍基电极的连接方式以交替进行正向电解和反向电解。

7.根据权利要求5所述的活化方法，其中，步骤(2)中通过设置控制器以使所述直流电源以正负输出换向模式输出电流以交替进行正向电解和反向电解。

8.根据权利要求5所述的活化方法，其中，交替进行正向电解和反向电解采用恒电流模式或恒电压模式进行；

9.根据权利要求8所述的活化方法，其中，交替进行正向电解和反向电解时，单次正向电解和单次反向电解的时间各自为1000～2000s；

10.根据权利要求5所述的活化方法，其中，交替进行正向电解和反向电解时，所述碱性电解液的温度为20～100℃，优选为50～90℃。

11.根据权利要求1所述的活化方法，其中，活化前的电解水制氢电极与活化后的电解水制氢电极的电容比为1：(15～30)。

12.一种活化电解水制氢电极的制备方法，包括如下步骤：

13.根据权利要求12所述的制备方法，其中，所述第一镍基电极和所述第二镍基电极各自独立地选自镍基金属网和/或镍基金属片，优选为多孔性镍基金属网。

14.一种电解水制氢电极，其是根据权利要求1～11中任一项的活化方法得到，或者由权利要求12或13所述制备方法制得。

15.一种电化学装置，其包含根据权利要求14的电解水制氢电极。

技术总结
本发明提供一种电解水制氢电极的活化方法、活化电解水制氢电极的制备方法、电解水制氢电极及电化学装置，活化方法包括：(1)基于第一镍基电极、第二镍基电极和碱性电解液构建电解槽；(2)交替进行正向电解和反向电解以使第一镍基电极和第二镍基电极完成活化，得到活化后的电解水制氢电极。本发明通过多次交替进行正向电解和反向电解，使电解水制氢的镍基电极表面的镍反复多次发生重构形成花状纳米结构，有效活性面积大幅增大，提供更加丰富的活性位点，提高了电极的电流密度，花状纳米结构具有良好的结构稳定性，在大电流密度工作条件下可长时间稳定运行，提高了碱性电解水制氢效率、降低了能耗。

技术研发人员：曾兰平,高小平,王秋粒
受保护的技术使用者：嘉庚创新实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/6/18