一种具有梯度孔隙结构的多孔电极及其制备方法与应用

本发明涉及新能源与氢能，具体涉及一种具有梯度孔隙结构的多孔电极及其制备方法与应用。

背景技术：

1、化石燃料的大量使用，造成了能源短缺以及环境污染等一系列问题，发展清洁和可持续能源是势在必行的趋势。氢(h2)由于其能量密度高、无污染等特点，被认为是传统化石能源最理想的替代清洁能源之一。电解水制氢离不开催化电极材料的制备与结构设计。多孔金属电极材料，如镍，钴及合金，在作为电解水产氢的催化电极等方面具有广泛的应用。

2、高效催化电极在电解水中降低过电位的研究已经进行了三十多年。通常，用于电解水的催化电极由活性催化材料和在其上沉积活性催化材料的导电衬底组成。目前的研究主要集中在通过增加每个活性位点的固有活性或活性位点数量来设计和合成新的催化材料，从而提高析氢反应(her)或析氧反应(oer)的效率和选择性。很少有人关注导电基底的设计，这实际上对电解水的效率非常重要，特别是当研究工作转移到实际工业应用时。对于高效的导水基底来说，大的比表面积、良好的导电性和优良的化学稳定性是最需要的特性。由于三维多孔结构比平面多孔结构能提供更大的催化剂与电解质的接触面积，因此在衬底设计中普遍采用三维多孔结构。此外，多孔结构可以减少离子的扩散路径，促进离子在基体内部的迁移，但由于其复杂的内部孔隙结构，气泡释放行为引起了关注。在水的裂解过程中，会产生大量气泡，并被困在多孔结构中。如果不及时释放，这些滞留的气泡将抑制电解质和基质之间的有效接触。这将导致衬底产生“死角”，导致欧姆骤降，传质受阻，从而对催化电极的催化性能产生很大影响。因此，在电解水中设计三维多孔衬底，及时将形成的气泡从电极中驱逐出去将是一个重要的要求。

技术实现思路

1、解决的技术问题：针对现有技术中在电解水时三维多孔衬底不能及时将形成的气泡从电极中驱逐从而引发欧姆骤降、传质受阻的问题，本发明提出一种具有梯度孔隙结构的多孔电极及其制备方法与应用，提供的多孔电极具有高比表面积且利于气泡排出，能够制备出多种金属氧化物的复合物的三维多孔金属氧化物电极材料，并且制备方法简单易操控，原料易得，适于工业制备中大量生产。

2、技术方案：一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，步骤如下：

3、步骤一、将n层具有不同孔径尺寸的泡沫金属按照由中心层对称地向两侧孔径逐渐缩小的方式垒叠；之后，利用压片机压制垒叠好的n层泡沫金属，得到具有梯度孔隙结构的多孔金属电极基底，其中n为≥3的自然数；

4、步骤二、将过渡金属盐溶解于溶剂中，配制成过渡金属盐溶液；

5、步骤三、将具有梯度孔隙结构的多孔金属电极基底置于过渡金属盐溶液中充分浸泡，取出后在空气中用火焰点燃使其充分燃烧，得到具有梯度孔隙结构的多孔电极。

6、作为优选，所述步骤一中，当n为偶数(优选为4，6，8，10或12)时，中心层定义为两层一样的孔径最大的泡沫金属；当n为奇数(优选为3，5，7，9，11或13)时，中心层定义为一层孔径最大的泡沫金属。

7、作为优选，所述步骤一中泡沫金属的材质为单质金属镍、钴、铁、钛、铜及其二元或多元合金中以及不锈钢的至少一种。

8、作为优选，所述步骤一中泡沫金属的孔径为40～150ppi。

9、作为优选，所述步骤二中溶剂为乙醇、水、丙酮、异丙醇或dmf溶剂。

10、作为优选，所述步骤二中过渡金属盐溶液的浓度为0.05～0.2mol/l。

11、基于上述的方法制备的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极。

12、基于上述一种具有梯度孔隙结构的多孔电极在电解水催化制氢中的应用。

13、本发明将不同孔径的泡沫镍通过压片堆叠在一起，通过气泡的形成和脱附的特性来摆放不同孔径的泡沫镍，减少气泡在通过基底时的拖曳力，便于气泡从孔径中逸出及时暴露出大量的活性位点从而加快反应的效率。制备的这种梯度孔隙多孔结构具有高比表面积，还表现出较好的电催化析氢与析氧的活性，可以用于制备电解水催化电极。

14、有益效果：1.本发明利用制作工艺简单且具有多孔结构的泡沫金属作为模板，在金属盐溶液中浸泡吸附后，经过在空气中点燃至充分燃烧，可直接制备出多种金属氧化物的复合物的三维多孔金属氧化物电极材料，这种合成方法简单易操控很适合在工业中普及。通过对反应过程中气泡的行为分析，气泡在脱离基底孔隙时受到的拖曳力跟孔径的直径和孔径间的距离成正比。本发明设计的这种梯度基底孔隙的尺寸大小排列都有利于气泡从空隙中及时的排除脱离电极表面，及时暴露出更多的活性位点，比表面积较大，以及多级孔构造等特点这些优点都可以使得原本的催化物质发挥出比普通基底更好的活性。

15、2.本发明的制备方法简便，不需要额外施加高温高压的条件，不受环境的影响，工艺成本低。且这种方法制备的梯度孔隙结构的多孔金属基底可以与各种过渡族金属盐溶液任意结合制备出各种氧化物电极材料，在应用到电解水时都可以使催化剂发挥出最优的活性。

16、3.本发明以泡沫金属作为原料，具有原材料易得、结构可控、便宜、量大、对环境污染小等优点，有望在工业制备中大量生产。

技术特征：

1.一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，当n为偶数时，中心层定义为两层一样的孔径最大的泡沫金属；当n为奇数时，中心层定义为一层孔径最大的泡沫金属。

3.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，其特征在于，所述步骤一中泡沫金属的材质为单质金属镍、钴、铁、钛、铜及其二元或多元合金中以及不锈钢的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，其特征在于，所述步骤一中泡沫金属的孔径为40 ~ 150 ppi。

5.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，其特征在于，所述步骤二中溶剂为乙醇、水、丙酮、异丙醇或dmf溶剂。

6.根据权利要求1所述的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极的制备方法，其特征在于，所述步骤二中过渡金属盐溶液的浓度为0.05~0.2 mol/l。

7.基于权利要求1~6任一所述的方法制备的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极。

8.基于权利要求7所述的一种具有梯度孔隙结构的多孔电极在电解水催化制氢中的应用。

技术总结一种具有梯度孔隙结构的多孔电极及其制备方法与应用，步骤如下：将n层具有不同孔径尺寸的泡沫金属按照由中心层对称地向两侧孔径逐渐缩小的方式垒叠；之后，利用压片机压制垒叠好的n层泡沫金属，得到具有梯度孔隙结构的多孔金属电极基底，其中n为≥3的自然数；将过渡金属盐溶解于溶剂中，配制成过渡金属盐溶液；将具有梯度孔隙结构的多孔金属电极基底置于过渡金属盐溶液中充分浸泡，取出后在空气中用火焰点燃使其充分燃烧，得到具有梯度孔隙结构的多孔电极。本发明的方法可快速大量制备出具有梯度多孔结构的三维多孔电极，制备方法简便、工艺成本低，基于其特殊的孔隙结构与催化活性材料相结合，具有优异的电解水性能。技术研发人员：朱春宇,俞娟,盛楠,张方,陈苏受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16