合金基复合材料及其制备方法、析氢电极和制氢方法与流程

本申请涉及氢能源的，特别是涉及一种合金基复合材料及其制备方法、析氢电极和制氢方法。

背景技术：

1、氢气是一种清洁的二次能源和重要的化工材料，将逐步取代石油、煤炭和天然气等化石能源，成为全球能源的重要载体。在众多制氢工艺中，电解水制氢工艺因其高效性而易于产业化，并具有操作简单、产品纯度高、原料价廉易得和无污染等特点，是目前最有前景的制氢方法。其中，碱性电解水制氢工艺是对碱性水溶液进行电解，在阴极（即析氢电极）析出氢气，在阳极（即析氧电极）析出氧气，具有成熟度高、制造成本低和设备简单的特点而得到广泛应用。

2、以可再生能源产生的电能为驱动进行碱性电解水制氢是生产绿色氢气的有效途径。传统的碱性电解槽由于负载范围窄，导致碱性电解水制氢的波动适应性差。提升碱性电解水制氢的电流密度是改善波动适应性的有效手段。但是，目前工业上通常采用雷尼镍作为析氢电极的催化剂，其大约需要400mv的过电位才能达到300ma/cm2的电流密度，并且在长时间电解后电压会发生明显衰减，催化稳定性差。因此，迫切需要开发一种能够在低的过电位下实现高的电流密度，并且催化稳定性高的催化材料，以制成析氢电极并在工业级电流下高效且稳定地进行电解水制氢。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种合金基复合材料及其制备方法、析氢电极和制氢方法，以克服传统的催化材料用于电解水制氢时难以在低的过电位下实现高的电流密度，以及催化稳定性差的问题。

2、本申请的上述目的是通过如下技术方案进行实现的：

3、本申请第一方面，提供一种合金基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、通过等离子喷涂法制备含有镍、铬和钴的合金涂层；

5、在所述合金涂层表面形成石墨烯层；

6、通过等离子刻蚀法对所述石墨烯层进行氮掺杂处理，以形成氮掺杂石墨烯层，制备所述合金基复合材料。

7、在其中一个实施例中，所述合金涂层包括如下质量占比的组分：镍60%~75%，铬15%~38%和钴2%~10%。

8、在其中一个实施例中，所述合金涂层的厚度为50μm~150μm。

9、在其中一个实施例中，通过等离子喷涂法形成合金涂层，包括以下步骤：

10、对基体进行喷砂处理，以提高所述基体的表面粗糙度；

11、利用气体电离形成的等离子体熔化含有镍、铬和钴的合金粉末，并喷涂于所述基体表面，形成所述合金涂层。

12、在其中一个实施例中，基体的材质包括镍、铁和不锈钢中的一种或多种。

13、在其中一个实施例中，喷砂处理的喷砂介质包括100目~300目的刚玉喷砂。

14、在其中一个实施例中，喷砂时间为1min~10min。

15、在其中一个实施例中，所述气体包括ar、n2和h2中的一种或多种。

16、在其中一个实施例中，所述气体的流量为40l/min~130l/min。

17、在其中一个实施例中，所述等离子喷涂法的功率为10kw~50kw。

18、在其中一个实施例中，所述等离子喷涂法的喷枪移速为100mm/s~300mm/s。

19、在其中一个实施例中，在所述合金涂层表面形成石墨烯层，包括以下步骤：

20、于还原性气氛中将所述合金涂层加热至沉积温度，并利用碳源气体进行化学气相沉积处理，以在所述合金涂层表面形成所述石墨烯层。

21、在其中一个实施例中，所述沉积温度为800℃~1200℃。

22、在其中一个实施例中，所述还原性气氛包括流量比为（3~6）：（1~3）的氢气和惰性气体。

23、在其中一个实施例中，所述碳源气体包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔和丙烯中的一种或多种。

24、在其中一个实施例中，所述碳源气体的流量为10sccm~20sccm。

25、在其中一个实施例中，所述化学气相沉积的时间为1min~20min。

26、在其中一个实施例中，所述氮掺杂处理的气氛包括氮气，且氮气的流量为800sccm~1200sccm。

27、在其中一个实施例中，所述氮掺杂处理的温度为400℃~700℃。

28、在其中一个实施例中，所述氮掺杂处理的功率为10kw~20kw。

29、在其中一个实施例中，所述氮掺杂处理的时间为2h~8h。

30、本申请第二方面，提供一种合金基复合材料，采用如上项所述的合金基复合材料的制备方法制得。

31、在其中一个实施例中，所述合金基复合材料的孔隙率为15%~25%。

32、在其中一个实施例中，所述合金基复合材料在300ma/cm2的电流密度下的过电位为150mv~350mv。

33、在其中一个实施例中，所述合金基复合材料在300ma/cm2的电流密度下电解10h后的电压衰减量≤2.5%。

34、本申请第三方面，提供一种析氢电极，包括如上所述的合金基复合材料。

35、本申请第四方面，提供一种制氢方法，包括以下步骤：

36、利用如上所述的析氢电极作为工作电极，于碱性电解液中进行电解水制氢反应。

37、本申请至少具有以下有益效果：

38、本申请通过等离子喷涂法形成含有镍、铬和钴的合金涂层，一方面是通过多元金属的协同作用来优化合金涂层的吸附氢自由能和电子结构，从而展现出优异的催化活性，另一方面是利用等离子喷涂法促使合金涂层形成具有一定孔隙率的多孔结构，提高合金涂层的表面积，并暴露出更多的催化活性位点。在合金涂层上耦合一层石墨烯层，可以增加电子转移能力。通过等离子刻蚀法对石墨烯层进行氮掺杂处理，不仅能够克服石墨烯层的包覆导致孔隙率下降的问题，提升合金基复合材料的孔隙率和表面粗糙度，而且能够诱导合金基复合材料形成活性金属氮物种，提升析氢催化活性，从而在更低的过电位下达到更高的电流密度，同时形成的复合电极结构稳定，可以避免长期电解后电压衰减的问题。本申请制备的合金基复合材料，其孔隙率达到15%~30%，电流密度为300ma/cm2下的过电位仅有150mv~350mv，并且在持续电解10h后电压的衰减量低于2.5%，展现出优异的析氢催化活性和催化稳定性，可用于制备析氢电极并在工业级电流下高效且稳定地进行电解水制氢。

技术特征：

1.一种合金基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述合金涂层包括如下质量占比的组分：镍60%~75%，铬15%~38%和钴2%~10%。

3.如权利要求2所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述合金涂层的厚度为50μm~150μm。

4.如权利要求1~3任一项所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，通过等离子喷涂法形成合金涂层，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，对基体进行喷砂处理，满足以下条件中的一个或多个：

6.如权利要求4所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述等离子喷涂法满足以下条件中的一个或多个：

7.如权利要求1~3任一项所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，在所述合金涂层表面形成石墨烯层，包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，满足以下条件中的一个或多个：

9.如权利要求1~3任一项所述的合金基复合材料的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂处理满足以下条件中的一个或多个：

10.一种合金基复合材料，其特征在于，采用如权利要求1~9任一项所述的合金基复合材料的制备方法制得。

11.如权利要求10所述的合金基复合材料，其特征在于，所述合金基复合材料满足以下条件中的一个或多个：

12.一种析氢电极，其特征在于，包括如权利要求10或11所述的合金基复合材料。

13.一种制氢方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本申请涉及一种合金基复合材料及其制备方法、析氢电极和制氢方法。合金基复合材料的制备方法包括以下步骤：通过等离子喷涂法制备含有镍、铬和钴的合金涂层；在所述合金涂层表面形成石墨烯层；通过等离子刻蚀法对所述石墨烯层进行氮掺杂处理，以形成氮掺杂石墨烯层，制备所述合金基复合材料。本申请制得的合金基复合材料，其孔隙率达到15%~25%，电流密度为300mA/cm2下的过电位仅有150mV~270mV，并且在持续电解10h后电压的衰减量低于2.3%，展现出优异的析氢催化活性和催化稳定性，可用于制备析氢电极并在工业级电流下高效且稳定地进行电解水制氢。

技术研发人员：陆文雅,李丹,卞铁铮,贾飞
受保护的技术使用者：江苏天合元氢科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26