一种窝状电极及其制备方法与应用与流程

本发明涉及电解水制氢电极，具体而言，涉及一种窝状电极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氢能是以氢气为载体的二次能源技术，被认为最清洁、高效的未来能源技术，是我国双碳战略的重要技术支撑。氢气的高效、大规模绿色制取是氢能技术发展的首要条件。电解水制氢是在外部电能的驱动下将水分解为氢气和氧气的技术，是当前最高效、最成熟的制氢技术之一。

2、电解水析氢析氧分别发生在具有催化活性的阴极和阳极上。碱性体系中阴极和阳极主要采用镍基催化剂，常通过喷涂的方式在镍网板上制备催化层，再通过化学腐蚀去除造孔剂得到多孔催化层。采用该种方式制备得到的催化层存在催化性能有限等问题。

3、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种窝状电极及其制备方法与应用，以解决或改善上述技术问题。

2、本技术可这样实现：

3、第一方面，本技术提供一种窝状电极，其具有蜂窝状表面结构，蜂窝状表面结构包括弥散分布的窝孔和褶皱，且窝状电极的表面附着有活性催化材料颗粒。

4、在可选的实施方式中，窝状电极还具有以下特征中的至少一种：

5、特征一：窝状电极中的窝孔的等效直径不超过10μm；

6、特征二：窝状电极中的褶皱厚度不超过2μm；

7、特征三：窝状电极中的褶皱的长度不小于5μm；

8、特征四：窝状电极中，褶皱的表面弥散分布有微孔结构，优选地，微孔结构的微孔孔径不超过1μm；更优地，微孔结构的表面附着有活性催化材料颗粒；

9、特征五：活性催化材料颗粒为过渡金属元素催化材料颗粒，优选地，活性催化材料颗粒包括nicu合金及其氧化物、nife合金及其氧化物、fecu合金及其氧化物、nifecu合金及其氧化物中的至少一种。

10、第二方面，本发明提供一种如前述实施方式的窝状电极的制备方法，包括以下步骤：将制备原料与基体复合，得到中间电极；对中间电极进行造窝处理和造孔处理；

11、制备原料包括含催化材料、造孔材料以及造窝材料的原材料。

12、在可选的实施方式中，按质量百分数计，原材料包括50％～90％的催化材料、5％～20％的造孔材料以及5％～40％的造窝材料。

13、在可选的实施方式中，催化材料包括ni、ni基合金、氧化镍、磷化镍、氮化镍中的至少一种。

14、在可选的实施方式中，造孔材料包括al和zn中的至少一种；和/或，造孔材料的粒径不超过5μm。

15、在可选的实施方式中，造窝材料包括cu、c、mn、co中的至少一种；和/或，造窝材料的粒径不超过10μm。

16、在可选的实施方式中，制备原料的形式包括固体状、凝胶状、膏状或浆料状。

17、在可选的实施方式中，固体状的制备原料为粒径不超过1μm的原材料。

18、在可选的实施方式中，凝胶状的制备原料由固体状的原材料与水以及成胶材料混合而得。

19、在可选的实施方式中，膏状或浆料状的制备原料由固体状的原材料与溶剂以及交联剂混合而得。

20、在可选的实施方式中，凝胶状的制备原料中含有40wt％～60wt％的固体状的原材料以及5wt％～20wt％的成胶材料，余量为水；

21、或，膏状或浆料状的制备原料中均独立地含有40wt％～80wt％的固体状的原材料、10wt％～50wt％的溶剂以及5wt％～10wt％的交联剂。

22、在可选的实施方式中，成胶材料包括聚丙烯酸及其衍生物、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚丙烯酰胺和乙基纤维素中至少一种。

23、在可选的实施方式中，溶剂包括松油醇、聚乙烯醇、乙醇和丙二醇中的至少一种。

24、在可选的实施方式中，交联剂包括乙基纤维素、二丙二醇甲醚醋酸酯、二乙烯基苯、二异氰酸酯、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、二叔丁基过氧化和二乙三胺中的至少一种。

25、在可选的实施方式中，制备原料与基体复合的方式包括喷涂、涂覆或浸渍。

26、在可选的实施方式中，当制备原料呈固体状或固液混合状时，采用喷涂方式将制备原料与基体复合；当制备原料呈浆料状时，采用喷涂方式或浸渍方式将制备原料与基体复合；当制备原料呈凝胶状或膏状时，采用涂覆或喷涂方式将制备原料与基体复合。

27、在可选的实施方式中，喷涂包括热喷涂、冷喷涂或湿法喷涂，其中，热喷涂包括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、低压等离子喷涂或电弧喷涂。

28、在可选的实施方式中，等离子喷涂的工艺条件包括：喷涂功率为20kw～50kw，喷涂主气氩气流量为40nl/min～60nl/min，喷涂辅气氢气流量为0nl/min～5nl/min，喷涂电流为450a～650a，喷涂距离为15cm～30cm，喷涂角度为75°～90°，走枪速度为400mm/s～1000mm/s，送粉量为50g/min～150g/min。

29、在可选的实施方式中，超音速火焰喷涂的工艺条件包括：喷涂燃气流量为10l/min～50l/min，氧气或空气流量为50l/min～200l/min，喷涂距离为5cm～20cm，喷涂角度为85～95°，走枪速度为500mm/s～1500mm/s，送粉量为50g/min～200g/min。

30、在可选的实施方式中，爆炸喷涂的工艺条件包括：燃气流量为5l/min～30l/min，氧气流量为5l/min～30l/min，喷涂距离为10cm～20cm，喷涂角度为85～95°，爆炸频率3hz～10hz，走枪速度为600mm/s～2000mm/s，送粉量为30g/min～150g/min。

31、在可选的实施方式中，低压等离子喷涂的工艺条件包括：喷涂功率为40kw～150kw，喷涂主气氩气流量为40nl/min～60nl/min，喷涂辅气氢气流量为0nl/min～5nl/min，喷涂电流为500a～1000a，喷涂压力1×10-5pa～1000pa，喷涂距离为20cm～50cm，走枪速度为800mm/s～2000mm/s，送粉量为30g/min～100g/min。

32、在可选的实施方式中，电弧喷涂的工艺条件包括：喷涂电压为20v～50v，电流为150a～1000a，物化气体压力为0.2mpa～1mpa，喷涂距离为10cm～20cm，送粉量为200g/min～800g/min，走枪速度为500mm/s～2000mm/s。

33、在可选的实施方式中，冷喷涂的工艺条件包括：喷涂功率为25kw～70kw，喷涂气体氮气压力为4mpa～8mpa，枪室温度为400℃～850℃，喷涂距离为20mm～50mm，喷涂角度为85～95°，走枪速度为600mm/s～2000mm/s，送粉量为100g/min～500g/min。

34、在可选的实施方式中，湿法喷涂的工艺条件包括：喷涂距离为300mm～800mm，喷涂主气压缩空气压力为0.2mpa～1mpa，走枪速度为200mm/s～500mm/s，喷涂角度为60°～90°。

35、在可选的实施方式中，造窝处理包括：将电极浸泡于造窝溶液中进行化学造窝。

36、在可选的实施方式中，造窝溶液包括腐蚀剂、分散剂、调节剂、络合剂和水。

37、在可选的实施方式中，按质量百分数计，造窝溶液包括10％～30％的腐蚀剂、0.5％～5％的分散剂、1％～10％的调节剂以及1％～10％的络合剂，余量为水。

38、在可选的实施方式中，腐蚀剂包括氯化铜溶液、硫酸铜溶液、氯化铁溶液、盐酸溶液和氢氧化钠溶液中的至少一种。

39、在可选的实施方式中，分散剂包括油酸钠、羧酸盐、硫酸酯盐、磺酸盐、聚磷酸酯盐中的至少一种。

40、在可选的实施方式中，调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾、氨水和盐酸中的至少一种。

41、在可选的实施方式中，络合剂包括单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、酒石酸钾钠、庚糖酸盐、葡萄糖酸钠、海藻酸钠、乙二胺四甲叉磷酸钠、二乙烯三胺五甲叉膦酸盐、胺三甲叉磷酸盐、水解聚马来酸酐、聚丙烯酸、聚羟基丙烯酸、马来酸丙烯酸共聚物和聚丙烯酰胺中的至少一种。

42、在可选的实施方式中，浸泡温度为30℃～95℃，浸泡时间为5h～48h。

43、在可选的实施方式中，造孔处理包括：将造窝处理后得到的电极浸入造孔碱液中进行造孔。

44、在可选的实施方式中，造孔碱液包括5wt％～30wt％的naoh水溶液或5wt％～30wt％的koh溶液。

45、在可选的实施方式中，造孔碱液中还包括0.5wt％～10wt％的添加剂。

46、在可选的实施方式中，添加剂包括柠檬酸钠、酒石酸钾钠、乙二胺四甲叉磷酸钠、二乙烯三胺五甲叉膦酸钠、胺三甲叉磷酸钠和海藻酸钠中的至少一种。

47、在可选的实施方式中，造孔碱液的温度不超过90℃，优选为20℃～90℃。

48、在可选的实施方式中，造孔时间不超过24h，优选为3h～24h。

49、第三方面，本技术提供一种如前述实施方式的窝状电极在电解水制氢中的应用。

50、本技术的有益效果包括：

51、本技术提供的窝状电极中弥散分布的窝孔和褶皱可赋予电极较高的比表面积，结合该窝状电极的表面附着的活性催化材料颗粒，能够有效提高电极的催化活性。该窝状电极的制备方法简单，易于大批量、规模化生产，电极尺寸、形状不受限，可流水线作业，具有成本低、生产效率高、性价比高的优势。上述窝状电极可用于电解水制氢，能获得较好的制氢效果。