一种用于催化析氢的涂层电极及其制备方法与流程

本发明涉及一种用于催化析氢的涂层电极及其制备方法。

背景技术：

能源是人类赖以生存的重要基础，是推动国民经济与社会发展的动力。随着人们对能源需求的不断增加以及环境污染问题的日益严重，寻求清洁可持续的能源已经成为人类迫在眉睫的问题。氢气(h2)作为清洁能源在未来的能源版图中将发挥重要作用，然而氢气不是自然存在的，需通过一定方法进行制备。电解水制氢具有成本较低、效率高、环境友好、以及安全性较好等优点，是将电能转换为化学能的理想路径，备受人们青睐。目前电催化析氢反应活性最好的固态催化剂是贵金属铂(pt)，但是高成本和低储量严重地限制了贵金属材料的工业应用。此外大部分用于催化析氢反应的电极都是采用粘合剂将粉末状的催化材料涂覆在基底电极上，由于粘合剂自身的附着力差，在电解过程中易脱落，从而降低电极的工作稳定性。同时，粘结剂会致使电极电阻增加、暴露在溶液中的活性位点减少、并降低了反应离子的扩散速率，从而极大地降低了电极的析氢效率。因此，急需一种成本低且稳定性高的催化材料，以实现电解水制氢的大规模化生产和广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于催化析氢且具有良好催化活性、稳定性高以及价格低廉的涂层电极。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于催化析氢的涂层电极，包括ti基底、以及设置在所述ti基底表面的(w,fe)c-p涂层。

进一步地，所述(w,fe)c-p涂层包括(w,fe)c涂层和嵌入在所述(w,fe)c涂层内的p元素。

进一步地，所述的(w,fe)c涂层厚度为3um-6um。

本发明还提供了一种用以制备所述用于催化析氢的涂层电极的制备方法，所述制备方法如下：

s1、提供ti基底，将所述ti基底表面粗糙化；

s2、在所述ti基底表面沉积(w,fe)c涂层；

s3、在所述(w,fe)c涂层磷化处理，获得(w,fe)c-p涂层。

进一步地，所述粗糙化为将所述ti基底放入苦味酸中加热30min以对其表面进行刻蚀。

进一步地，所述(w,fe)c涂层由磁控溅射技术沉积制备形成。

进一步地，所述磁控溅射技术使用的w靶和fe靶，反应气体为c2h2。

进一步地，在沉积所述(w,fe)c涂层之前，所述涂层电极的制备方法还包括将ti基底、w靶和fe靶进行清洗和烘干的前处理。

进一步地，对ti基底进行清洗和烘干的前处理后，所述涂层电极的制备方法还包括由离子轰击清洁所述ti基底并活化所述ti基底上的原子。

进一步地，所述磷化处理使用的磷源为亚磷酸钠。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的用于催化析氢的涂层电极直接将具有催化活性的(w,fe)c-p涂层制备在ti基底电极上，相较于传统的采用粘合剂制备的涂覆型电极，该涂层电极结合力更好，具有更佳的稳定性，延长了电极的使用寿命；价格低廉的(w,fe)c合金具有更高的析氢催化活性，(w,fe)c中引入p元素进一步提升其催化析氢的催化活性，提高了催化析氢的工作效率并且降低了制备催化析氢的涂层电极的成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例的用于催化析氢的涂层电极的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本发明一实施例所示的用于催化析氢的涂层电极，包括ti基底1、以及设置在所述ti基底1表面的(w,fe)c-p涂层2。所述(w,fe)c-p涂层2包括(w,fe)c涂层(未图示)和嵌入在所述(w,fe)c涂层内的p元素(未图示)。所述的(w,fe)c涂层厚度为3um-6um。金属w和fe在析氢反应过程中属于中过电位金属，当w和fe与c结合时，两种金属的d带将发生收缩，d带能量中心靠近fermi能级，使所形成的(w,fe)c合金呈现出更高的析氢催化活性。p和c对金属材料w和fe进行共掺杂时，可形成促进析氢反应的协同效应。因此，在(w,fe)c中引入p元素可进一步提升其电解水催化活性。

本发明还提供了一种用以制备上述用于催化析氢的涂层电极的制备方法，制备方法如下：

步骤1、提供ti基底1，将所述ti基底1表面粗糙化。具体的，将ti基底1放入苦味酸溶液中加热30min，对ti基底1进行表面刻蚀。

步骤2、对表面粗糙化的ti基底1、磁控溅射使用到的w靶和fe靶进行超声波清洗以及烘干，然后装进入磁控溅射仪的真空腔体内。

步骤3、由离子轰击清洁ti基底1并活化ti基底1上的原子。具体的，抽真空、加热，待真空度到达1.0×10^-3pa以上，通入纯度为99.999％的氩气(ar)，压力控制在1pa-2pa，开启电弧离子源对ti基底1进行离子轰击，电流控制在40a-80a，偏压电压控制在100v-1000v，占空比控制在30％-50％，离子轰击时间为20min-40min。

步骤4、在ti基底1表面沉积(w,fe)c涂层。具体的，(w,fe)c涂层由磁控溅射技术沉积制备，抽真空到1.0x10^-3pa以上真空度，通入c2h2作为反应气体，压力控制在0.1pa-0.2pa，衬底偏压控制在60v-100v，ar的流量为30ccm，开启w靶和fe靶，c2h2与溅射沉积w和fe反应以沉积得到(w,fe)c层，(w,fe)c层厚度控制在3um-6um。

步骤5、在所述(w,fe)c涂层磷化处理，获得(w,fe)c-p涂层2。具体的，磷化处理使用的磷源为亚磷酸钠，将磁控溅射获得的表面具有(w,fe)c涂层的ti基底1放入管式炉中，将0.5g-1g次亚磷酸放在上游，通入ar，ar的流量为150ccm-300ccm，磷化反应温度为250℃-350℃，磷化时间为2h，待反应结束后，随炉冷却至室温后取出。

将制备所得的涂层电极置于在1.0mol/l的koh溶液中表现出良好的催化活性，在10macm^-2的电流密度下过电位为90mv-140mv，tafel斜率为70mvdec^-1-100mvdec^-1。

综上，本发明所提供的用于催化析氢的涂层电极直接将具有催化活性的(w,fe)c-p涂层制备在ti基底电极上，相较于传统的采用粘合剂制备的涂覆型电极，该涂层电极结合力更好，具有更佳的稳定性，延长了电极的使用寿命；价格低廉的(w,fe)c合金具有更高的析氢催化活性，(w,fe)c中引入p元素进一步提升其催化析氢的催化活性，提高了催化析氢的工作效率并且降低了制备催化析氢的涂层电极的成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。