一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法

本发明属于电催化材料制备，具体涉及一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法。

背景技术：

1、氢能源作为一种清洁能源，其取代化石燃料能够最大限度地减弱二氧化碳温室气体效应。电解水制氢是一种较为方便的制取氢气的方法，在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

2、在大型化电解水用电解槽中，为了节省成本，一般只在阴极(her)侧喷涂催化剂，阳极(oer)侧还是用的镍网，而电解水过程中在阴极析出氢气，在阳极析出氧气，由于在阳极涉及到了四个电子转移的复杂反应过程，因此在相同的电流密度下，阳极反应比阴极反应需要更高的过电势，是电解水反应的速率控制步骤，使得阳极催化剂的开发更加受到研究者们的关注。目前商业化的催化剂均为贵金属基催化剂，如钌、铱、镍等，虽然他们性能较好，但在地球中的储量十分有限，且价格昂贵，稳定性较差，在高的电流密度下很难维持原有的性能，所以开发廉价且高效的催化材料十分重要。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了提供一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法，已解决现有技术中电解水过程中阳极过电位较高、能量消耗较高，导致阳极催化剂损耗速率加快，控制电解水反应速率难度递增的技术问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极，阳电极包括依次叠加的阳极催化层、阳极载体层和基体层，阴电极包括依次叠加的阴极催化层、阴极载体层和基体层；其中：

4、所述阳极催化层为纳米镍铁合金；

5、所述阳极载体层为纳米碳管和表面负载有石墨烯气凝胶的尖晶石粉；

6、所述阴极催化层为碳钛合金；

7、所述阴极载体层为纳米碳管和表面负载有石墨烯气凝胶的纳米氧化亚铜粉；

8、所述基体层为镍合金。

9、作为本发明的进一步优化方案，所述尖晶石粉的负载量为7-15mg/cm2。

10、作为本发明的进一步优化方案，所述纳米氧化亚铜的负载量为1.3-5.2mg/cm2。

11、作为本发明的进一步优化方案，所述尖晶石粉选自铁酸铜尖晶石粉、铁铝尖晶石粉中的一种或两种。

12、一种如上述任一项所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的制备方法，步骤如下：

13、s1：取镍合金颗粒物进行球磨处理，加入粘结剂后混合均匀得到预料，通过对预料进行模压成型，在惰性气体中煅烧获得镍合金电极，将镍合金电极进行碱洗，得到多孔结构的雷尼镍合金电极基体层；

14、s2：将尖晶石粉在石墨烯气凝胶中超声振动分散，再经过沉淀、干燥后得到阳极中间载体，将纳米碳管和得到的阳极中间载体进行混合，混合完得到分散悬浊液形式的阳极载体层；

15、s3：将所述阳极载体层进行一次喷涂到所述基体层上，再将纳米镍铁合金分散到有机溶剂中，混合均匀后二次喷涂到基体层上，经固化后得到阳极；

16、s4：将纳米氧化亚铜粉在石墨烯气凝胶中超声振动分散，再经过沉淀、干燥后得到阴极中间载体，将纳米碳管和得到的阴极中间载体进行混合，混合完得到分散悬浊液形式的阴极载体层；

17、s5：将所述阴极载体层进行一次喷涂到所述基体层上，再将碳钛合金粉末分散到有机溶剂中，混合均匀后二次喷涂到基体层上，经固化后得到阴极。

18、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s1中，将镍合金电极浸泡在碱液中8-15h，去离子水清洗后干燥，获得雷尼镍电极；所述碱液为25-40wt％的koh或naoh溶液。

19、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2和所述步骤s4中石墨烯气凝胶均为粉末状，其中，步骤s2中石墨烯气凝胶与所述尖晶石粉的质量比为3:1-15；步骤s4中石墨烯气凝胶与所述纳米氧化亚铜粉的质量比为1:1-9。

20、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s2中阳极载体层中所述纳米碳管的质量浓度为4％-15％。

21、作为本发明的进一步优化方案，所述步骤s4中阴极载体层中所述纳米碳管的质量浓度为12-21％。

22、本发明的有益效果在于：

23、1)本发明通过在阳电极中设置负载有石墨烯气凝胶的尖晶石粉、阴电极中设置负载有石墨烯气凝胶的纳米氧化亚铜粉，使得石墨烯气凝胶能够使得电极表面的活性位点相互关联，从而增强短层电子传导，增加个电极的电解效果，且载体层选用纳米碳管和石墨烯气凝胶等微孔结构，提高催化效率和电解效率；

24、2)本发明中阳电极相对现有技术直接使用镍网，显然选用镍合金作为基体层，含尖晶石粉的纳米微孔结构作为载体层，联合纳米镍铁合金催化层的设计显然镍成本更低，形成镍粒子负载与尖晶石表面，有利于h2在催化层表面的吸附解离；尖晶石载体具有多孔的形貌特征，有利于镍的负载从而稳定催化剂的活性位点，同时可以增强反应中关键中间产物的吸附，从而提高催化效率；

25、3)本发明中阴电极选用镍合金作为基体层，含氧化亚铜的纳米微孔结构作为载体层，联合碳钛合金催化层的设计，由于阴电极不需要承担较高的过电势，显然氧化亚铜作为载体层成本更低；且氧化亚铜凝聚的趋势很小，提高了催化层的稳定性。

技术特征：

1.一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极，其特征在于：阳电极包括依次叠加的阳极催化层、阳极载体层和基体层，阴电极包括依次叠加的阴极催化层、阴极载体层和基体层；其中：

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法，其特征在于：所述尖晶石粉的负载量为7-15mg/cm2。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法，其特征在于：所述纳米氧化亚铜的负载量为1.3-5.2mg/cm2。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法，其特征在于：所述尖晶石粉选自铁酸铜尖晶石粉、铁铝尖晶石粉中的一种或两种。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中，将镍合金电极浸泡在碱液中8-15h，去离子水清洗后干燥，获得雷尼镍电极；所述碱液为25-40wt％的koh或naoh溶液。

7.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s2和所述步骤s4中石墨烯气凝胶均为粉末状，其中，步骤s2中石墨烯气凝胶与所述尖晶石粉的质量比为3:1-15；步骤s4中石墨烯气凝胶与所述纳米氧化亚铜粉的质量比为1:1-9。

8.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中阳极载体层中所述纳米碳管的质量浓度为4％-15％。

9.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中阴极载体层中所述纳米碳管的质量浓度为12-21％。

技术总结
本发明属于电催化材料制备技术领域，具体涉及一种基于石墨烯气凝胶的电解水制氢电极及其制备方法，阳电极包括依次叠加的阳极催化层、阳极载体层和基体层，阴电极包括依次叠加的阴极催化层、阴极载体层和基体层；其中：所述阳极催化层为纳米镍铁合金；所述阳极载体层为纳米碳管和表面负载有石墨烯气凝胶的尖晶石粉；所述阴极催化层为碳钛合金；本发明通过在阳电极中设置负载有石墨烯气凝胶的尖晶石粉、阴电极中设置负载有石墨烯气凝胶的纳米氧化亚铜粉，使得石墨烯气凝胶能够使得电极表面的活性位点相互关联，从而增强短层电子传导，增加个电极的电解效果，且载体层选用纳米碳管和石墨烯气凝胶等微孔结构，提高催化效率和电解效率。

技术研发人员：解文杰,李浩,丁慧慧
受保护的技术使用者：安徽建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14