一种电解碱水镍基电极的制备方法

本发明属于电解制氢和材料表面工程，尤其涉及一种电解碱水镍基电极的制备方法。

背景技术：

1、随着全球能源需求不断增加，电气化趋势明显，全球能源行业正经历着以低碳化、低污染为方向的第三次能源革命。氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，可通过多种途径获取，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介。

2、氢能应用广泛，需求量大，目前电解碱水制氢技术成熟，具有高的能源转化效率，工艺简单，前景广阔，然而，受限于电极使用铂等贵金属催化剂，导致碱水电解析氢电极制备的成本较高，在实际生产和大规模推广应用中受到限制。

3、镍基材料拥有相对较低的析氢过电位和成本低廉的双重优势，是析氢材料的首选。研究表明，催化剂的催化性能与电解电极表面的形貌、活性位点数量、比表面积等因素密切相关。更大的比表面积提供了更多电极与电解液的接触面积，从而降低了水电解的制氢过电位，增加电极的表面积可有效提升电极的催化效率，即在相同电压下获得较高的电解工作电流。

4、目前制备镍电极的方法有很多，包括电镀、化学镀层、冲压和磁控溅射等。然而这些方法合成电极材料的效率极低，制备的电极厚度受限，且成本较高，无法满足规模化应用时对催化材料的大量消耗。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种电解碱水镍基电极的制备方法。本发明制备的电解碱性水镍基电极双电层电容高、制氢过电位低，具有良好的电催化性能。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种电解碱水镍基电极，采用纯镍(镍带)制备药芯焊丝，镍带外皮内包裹有5-20wt.％的铝粉和1-5wt.％的锌粉。铝粉和锌粉总的填充量不高于23％。

4、进一步地，所述药芯焊丝的直径为1.6mm，正负公差在0.03mm以内。

5、本发明还提供一种所述的电解碱水镍基电极的制备方法，包括以下步骤：

6、(1)采用纯镍外皮将5-20wt.％的铝粉和1-5wt.％的锌粉包裹在内，形成药芯焊丝，同时对基体表面进行清洁和喷砂粗化；

7、(2)在经过预处理的基体表面采用脉冲熔化极弧增材工艺制备焊点，工艺参数为：电流100-120a，电压22-23v，氩气流量15l/min，干伸长10-11mm，焊接速度15-35mm/s，脉冲频率10-50hz；将焊枪布置于机械手或者行走装置上，按所需电极的表面外形来合理设置增材的路径，逐一将所需表面覆盖完全；

8、(3)将得到的电极试样放入30wt.％koh和10wt.％酒石酸钾钠溶液中进行水浴加热，以去除增材获得镍层中的al和zn，形成微细孔的构造，即得到电解碱水镍基电极。

9、进一步地，步骤(1)中经过处理的基体表面粗糙度ra为2-10μm，所述基体为镍板。

10、进一步地，步骤(3)中，所述水浴加热是指在70℃下水浴加热24-128h。

11、利用本发明制备方法制备得到的电解碱水镍基电极电位低于0.22v，表现出优异的电催化性能。

12、本发明采用脉冲调制的熔化极电弧增材技术，使用镍基药芯焊丝为材料，在镍板上制备镍电极，这一技术生产效率高，而且能构造出具有不同尺度多孔的镍电极表面，因此呈现出优异的电催化性能。

13、脉冲电流熔化极焊具有工艺简单、效率高、灵活性强等特点。它是在一定的维弧电流下，以一定的频率和幅值变化的脉冲电流来控制熔化极(焊丝)熔化形成的熔滴，有节奏地过渡到熔池，基值电流维持电弧的稳定燃烧，并预热母材和焊丝，最终稳定地实现一脉一滴的理想状态，实现良好的熔滴过渡。

14、本发明通过合理控制电弧输入热量，以一脉一滴的方式在基板表面形成尺寸相近、间距相同的阵列式熔滴焊点，电极表面形成2-4毫米内高低起伏的表面。同时，利用药芯焊丝的方式添加少量的al和zn，利用zn的高蒸汽压促使单个焊点内形成几十至几百微米的气孔。焊接后进行整体腐蚀，暴露出焊点内的大孔。同时，腐蚀还可以实现局部微区合金元素的去合金化，形成几个微米和微米级以下的微细孔隙。

15、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

16、本发明与现有技术相比具有明显的先进性，目前主要以电镀、化学镀层、冲压和磁控溅射等方法来制备碱性水解用镍电极，纵观目前的方法中，虽然大多数可以合成比表面积较大的电极，但其产量极低，且合成的涂层厚度有限，无法满足大规模应用时对催化材料的大量消耗。本发明采用脉冲mig熔丝制备镍电极更具成本和效率优势。

17、结合腐蚀后处理，本发明的方法能在点阵焊点中形成不同尺度的微孔构造，创造了更多的活性位点，并且形成了更高的比表面积，通过本发明工艺参数和材料的调节，可以直接制备出比表面积大，催化性能优异的金属电极。

技术特征：

1.一种电解碱水镍基电极，其特征在于，采用纯镍为外皮制备药芯焊丝，内包裹有5-20wt.％的铝粉和1-5wt.％的锌粉。

2.根据权利要求1所述的电解碱水镍基电极，其特征在于，所述铝粉用量为5-10wt.％，所述锌粉用量为3wt.％。

3.根据权利要求1所述的电解碱水镍基电极，其特征在于，所述药芯焊丝直径为1.6±0.03mm。

4.一种如权利要求1或2所述的电解碱水镍基电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的电解碱水镍基电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中经过处理的基体表面粗糙度ra为2-10μm，所述基体为镍板。

6.根据权利要求4所述的电解碱水镍基电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水浴加热是指在70℃下水浴加热24-128h。

7.根据权利要求4所述的电解碱水镍基电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述混合溶液中氢氧化钾浓度为30wt.％，酒石酸钠浓度为10wt.％。

技术总结
本发明公开了一种电解碱水镍基电极的制备方法，属于电解制氢和材料表面工程技术领域。所述电解碱水镍基电极是采用纯镍为外皮制备药芯焊丝，内包裹有5‑20wt.％的铝粉和1‑5wt.％的锌粉，具体步骤包括：对基体表面进行清洁和喷砂粗化；在经过预处理的基体表面采用脉冲熔化极弧增材工艺制备阵列焊点，工艺参数为：电流100‑120A，电压22‑23V，氩气流量15L/min，干伸长10‑11mm，焊接速度15‑35mm/s，脉冲频率10‑50Hz；将得到的电极试样放入氢氧化钾和酒石酸钾钠混合溶液中进行水浴加热，即得到电解碱水镍基电极。电解碱性水镍基电极双电层电容高、制氢过电位低，具有良好的电催化性能。

技术研发人员：李辉,郭许航,黄振杰,贲棋,张鹏
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13