一种镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极的制备方法与应用与流程

本发明涉及柔性电极的制备及其应用，具体涉及一种镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极的制备及其应用。

背景技术：

随着人类社会的发展和进步，人类对能源的消耗需求日益增大，化石燃料如煤，石油，天然气等不可再生燃料，将在不久的将来消耗殆尽，同时化石燃料燃烧所产生的废气，废渣等都会带来严重的环境污染。氢能资源丰富，来源广，燃烧热值高，清洁无污染，由于其以上特点而越来越受到各国科学家的关注。电解水制氢是目前最为成熟，易于工业化，绿色环保的制氢方法。然而在电解水制氢的过程中，由于电催化剂过电位较大以及催化反应体系不完善导致能耗较高，严重阻碍了电解水制氢的工业应用。

通常情况下，制备电解水催化剂粉体，然后通过粘结剂负载在导电电极上进行电解水产氢。这种模式存在的问题是负载的催化剂容易脱落，而且粘结剂也会使电催化剂活性降低，尤其是高负载量的情况下。针对存在的技术问题，本发明可控镍纳米颗粒嵌入碳布，实现了不用粘结剂负载催化剂，而且柔性可裁剪，直接作为电解水电极，获得了高效的电解水产氢效率。

技术实现要素：

针对目前的研究现状，本发明提供一种制备条件要求低、实用性强的镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极的制备方法。制得的镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极，具有催化过电位低和稳定性好的电化学活性；将镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极应用于催化电解水，能获得高的产氢效率。

本发明制备镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极，主要特点在于，镍离子吸附于碳布，然后在还原性气氛保护下高温焙烧；在高温情况下，金属镍刻蚀碳布，形成纳米孔，金属镍颗粒嵌入到碳布里面，形成镍纳米颗粒嵌入碳布的主要结构，制备得到镍纳米颗粒嵌入的碳布，并作为柔性的电解水产氢电极。

一种镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极的制备方法，包括如下步骤：将碳布浸泡在含镍离子水溶液中，静置，使镍离子吸附于碳布；将吸附镍离子的碳布冷冻干燥，然后在还原性气氛下煅烧，得到所述镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极。

进一步地，所述碳布为碳毡、碳纸、碳泡沫或碳纤维中的一种所替代。

进一步地，所述含镍离子水溶液为镍盐的水溶液，包括醋酸镍水溶液、硫酸镍水溶液和氯化镍水溶液中的一种。

进一步地，所述含镍离子水溶液的浓度为0.5-5mol/L。

进一步地，所述静置的时间为6-48小时。

进一步地，所述还原性气氛包括纯氢气、氩氢混合气和氮氢混合气中的一种。

进一步地，所述煅烧的温度为700~1000℃，煅烧的时间为1-5小时。

更进一步地，所述煅烧的温度为700 ℃、800 ℃、900 ℃、1000 ℃。

由上述任一项所述制备方法制得的镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极应用在电解水产氢领域。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明制备方法简单可控，可大规模制备；

（2）本发明制备的镍纳米颗粒嵌入碳布作为电极具有柔性、导电性好、不用粘结剂和易裁切等优势，在清洁氢能源的高效制备方面有很好的应用前景；

（3）制得的镍纳米颗粒嵌入碳布柔性电极，具有催化过电位低和稳定性好的电化学活性。

附图说明

图1为实施例1制得的镍纳米颗粒嵌入碳布的XRD图；

图2为实施例1制得的镍纳米颗粒嵌入碳布的扫描电镜图；

图3为实施例2中镍纳米颗粒嵌入碳布作为电极的极化曲线图；

图4为实施例3中镍纳米颗粒嵌入碳布作为电极的时间-电流曲线图；

图5为实施例3中镍纳米颗粒嵌入碳布作为电极的时间-电流测试之后的扫描电镜图；

图6为实施例4中两电极极化曲线图；

图7为实施例4中两电极时间-电流测试曲线图；

图8 为实施例5制得的镍纳米颗粒嵌入碳布的扫描电镜图；

图9 为实施例6制得的镍纳米颗粒嵌入碳布的扫描电镜图；

图10为实施例7制得的镍纳米颗粒嵌入碳布的扫描电镜图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步阐述，但本发明不限于以下实施例。

实施例1

将碳布浸泡到2mol/L乙酸镍水溶液，静置6小时吸附镍离子；吸附镍离子的碳布冷冻干燥，然后在10vol% H₂ /Ar气氛下，900℃煅烧3小时，即得镍纳米颗粒嵌入碳布。

通过X射线电子衍射表征电极包含碳和金属镍两种组分，如图1；通过扫描电子显微镜观察到直径为100-200纳米的镍纳米颗粒嵌入到碳布中，碳布表面有大量的孔洞，如图2。

实施例2

采用实施例1中获得的镍纳米颗粒嵌入碳布直接作为工作电极，碳布和甘汞电极分别为对电极和参比电极，0.1 mol/L的氢氧化钾溶液为电解液。

采用线性伏安扫描测试其极化曲线如图3，由图3可知，获得的镍纳米颗粒嵌入碳布具有低的电解水产氢过电势，达到10 mA/cm²的电流密度时电压为71.8 mV。

实施例3

采用实例1中获得的镍纳米颗粒嵌入碳布直接作为工作电极，电化学测试过程同实例2。

采用时间-电流方法测试其催化电流密度，初始催化电流密度为-147.2 mA cm^-2，催化反应113.8小时未见催化电流密度降低，展现了良好的循环稳定性（图4）。

催化电解反应结束后的镍纳米颗粒嵌入碳布形貌如图5，未见纳米颗粒脱落，显示了强的结构稳定性。

实施例4

采用实例1中获得的镍纳米颗粒嵌入碳布直接作为工作电极，电化学测试过程同实例2。

采用两电极体系，镍纳米颗粒嵌入碳布为工作电极，对电极采用氢氧化铁镍负载的碳布，测试极化曲线如图6，达到10 mA/cm²电流密度时电解水电位为1.49 V。

通过采用时间-电流方法测试其催化电流密度，催化反应33小时未见催化电流密度降低，展现了良好的循环稳定性（图7）

实施例5

制备步骤同实例1，不同之处是：将碳布浸泡到5 mol/L乙酸镍水溶液，静置12小时，煅烧温度改为700 ℃，煅烧时间1小时。

通过扫描电镜表征镍纳米颗粒嵌入碳布的形貌，如图8，碳布表面开始有少量的小孔生成，尺寸在20-70纳米的镍纳米颗粒部分嵌入碳布，大部分显露在外面。

实施例6

制备步骤同实例1，不同之处是：将碳布浸泡到5 mol/L乙酸镍水溶液，静置48小时，煅烧温度改为800 ℃，煅烧时间3小时。

通过扫描电镜表征镍纳米颗粒嵌入碳布的形貌图如图9，由图9可知碳布表面开始有大量的孔生成，孔深度增加，而且镍颗粒尺寸明显比700℃的增大，为30-100纳米。

实施例7

制备步骤同实例1，不同之处是：将碳布浸泡到0.5 mol/L乙酸镍水溶液，煅烧温度改为1000 ℃，煅烧时间5小时。

通过扫描电镜表征镍纳米颗粒嵌入碳布的形貌图如图10，由图10可知碳表面开始有大量的大尺寸孔洞，镍颗粒尺寸为200-500纳米。