一种基于电磁复合场的电解制氢催化电极及其制备方法和应用与流程

本发明属于新能源与氢能，具体涉及到一种基于电磁复合场的电解制氢催化电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电解制氢是最常用的生产高纯绿氢的方式方法，目前电解系统中最常用的为碱水制氢或者pem电解水电解槽，而其核心部件为催化电极材料。传统的电极材料多为镍基涂层电极材料(对应于碱水制氢电解系统)或者贵金属基膜电极材料(对应于纯水制氢电解系统)，具有良好的分解水效果；但是目前该类电解系统需要将电解液温度提高至70～90℃，用以维持高的电极反应活度和提高制氢单位体积产能；但实际上高的电解液温度对整个电解系统的使用寿命和综合能量利用效率造成恶劣影响，因此实现和制备低温高效电解水的电极材料则成为解决该情况发生的重要路径。

2、专利公开号cn 115449846a、cn115341232a介绍了利用磁场提高碱液电解水制氢效率的方法，采用电解槽外部增加线圈的设计将整个电解放入电磁场中，其特点在电极上会产生周期性变化方向的洛伦兹力，可使电极上电解产生的气泡水平向晃动，加速气泡脱落，减小电极表面气泡的覆盖率，以提高产氢能力；cn114411163 a介绍了磁场对电解水效果的影响，表明一定的磁场活化对电解制氢具有一定促进作用；而本发明则根据磁场传统的作用方式，创造性的提出应用于该磁场下的电极材料的合成与制作方法，增强电极反应性能，使之在磁场基础上降低电解槽反应系统温度，同时可减少析出的气泡对电极的粘附，减少电解小室电阻，降低因电解液维持高温而需要的额外系统能耗。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种基于电磁复合场的电解制氢催化电极。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：所电解制氢催化电极由磁热式高活性合金材料负载于镍载体上得到；

5、其中，所述磁热式高活性合金材料为满足下述(i)～(iv)条件的材料；

6、(i)材料的原子组成通式如式(i)所示；

7、式(i)：xb(feaco(20-a)ni30)50y(50-b)；

8、(ii)式(i)中a的取值为5～15，b的取值为5～30；

9、(iii)x元素选自mo、v、w、cr、mn、cu、zn、pb、ta中的一种或多种，y元素选自sc、ti、zr、er、nb、sr、ce、pm、eu、yb、ba、nd中的一种或多种；

10、(iv)x、y的原子数量比满足式(i)的原子总含量比，具体的，是指xb(feaco(20-a)ni30)50y(50-b)中的所有原子下标之和为100，同时原子数量比例满足下标对应的比例要求。

11、本发明的再一目的是，提供一种基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法。

12、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，

13、x元素的可溶性盐类溶于50～80℃水中充分溶解，得到溶液i，其中，x元素总浓度为0.5～1.5m/l；

14、y元素的可溶性盐类溶于50～80℃水中充分溶解，得到溶液ii，其中，y元素总浓度为0.5～1.5m/l；

15、fe、co、ni的可溶性盐类溶于50～80℃水中充分溶解，得到溶液iii，其中，fe、co、ni元素总浓度为1.5～2.5m/l；；

16、溶液i、ii依次加入到溶液iii中，加热搅拌，得到的混合溶液超声处理1～2h，静置冷却至室温，得到混合溶液；

17、向混合溶液中加入镍、铝、铁、钴的合金粉末，先加入碱性物质调节溶液ph为8～10、再加入强碱物质调节ph为10～12，得到溶液iv；

18、溶液iv置于水热釜中进行水热反应，同时施加磁场处理，反应结束后产物以20～50℃/min的降温幅度冷却至0～-15℃，精密过滤、洗涤，15～50℃干燥12～24h，即得到磁热式高活性合金材料粉料；

19、镍载体表面清洗后进行电化学刻蚀，将磁热式高活性合金材料粉料涂覆到载体表面，再置于碱水中活化处理，即得到基于电磁复合场的电解制氢催化电极。

20、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述镍、铝、铁、钴的合金粉末的总添加量相较于溶液iv为50～200g/l，其中，镍、铝、铁、钴的质量比为1:1:0.1:0.01，粒径为10～200μm。

21、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述碱性物质包括氨水/(nh4)2co3、(nh4)hco3中的一种或多种，所述强碱物质包括koh、naoh中的一种或多种。

22、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述水热反应的反应温度为120～180℃，反应时间为12～48h。

23、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述水热反应的同时施加的磁场强度为100～1000gs。

24、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述镍载体的电化学刻蚀条件包括，

25、刻蚀液配比为水：乙二醇＝1:1～5，添加0.1～0.5wt％的含f盐，包括naf、nh4f中的一种；

26、刻蚀的电流密度为100～500a/m2，时间为5～60min。

27、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述磁热式高活性合金材料粉料涂覆到载体表面的涂覆方式包括热喷涂、激光熔射、化学气相沉积、物理气相沉积、电沉积、相转化、导电胶水粘结中的一种。

28、作为本发明所述基于电磁复合场的电解制氢催化电极的制备方法的一种优选方案，其中：所述置于碱水中活化处理，其中，碱水溶液包括naoh、koh中的一种或多种，浓度为3～6mol/l，处理温度为50～80℃，处理时间为1～5min。

29、本发明的再一目的是，提供一种基于电磁复合场的电解制氢催化电极的应用。

30、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：包括，以权利要求1所述的电解制氢催化电极作为碱水制氢系统的催化电极材料进行电解制氢反应，反应过程施加磁场；

31、其中，碱水制氢系统中的电解液温度为30～90℃，外围施加的磁场强度为100gs～2.0t，控制磁场的电流频率为10～60khz。

32、本发明有益效果：

33、(1)本发明制备得到的电解制氢催化磁热电极材料具有较大三维比表结构、高导电率以及高催化活性，在电场和磁场复合场条件下能够提高产氢能力，有效解决了传统电解制氢过程中传质阻力较大导致的电极极化问题，能够降低电能消耗与传质阻力，降低反应过程的电压、提高反应电流密度，提高反应器性能和电解效率，从而降低反应能耗。

34、(2)本发明的磁热电极材料在电磁作用下在催化剂表面产生局部热量，使接触电极表面反应的部分温度较高，因此电极电解反应较为迅速，无需加热到传统电解槽电解液80～90℃的反应温度，形成低温电解体系，有效减少电解槽材料及其系统性能因高温等产生劣化现象的发生，极大的延长了水电解槽及其后处理系统的使用寿命。

35、(3)本发明可通过控制材料组分配比、磁通量强度和频率变化参数，进而控制电极反应界面温度，同时强化反应速率和气泡震荡脱附效果进行控制，具有良好的操作可控性。