本發(fā)明涉及柔性電極的制備及其應用，具體涉及一種鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極的制備及其應用。

背景技術(shù)：

隨著人類社會的發(fā)展和進步，人類對能源的消耗需求日益增大，化石燃料如煤，石油，天然氣等不可再生燃料，將在不久的將來消耗殆盡，同時化石燃料燃燒所產(chǎn)生的廢氣，廢渣等都會帶來嚴重的環(huán)境污染。氫能資源豐富，來源廣，燃燒熱值高，清潔無污染，由于其以上特點而越來越受到各國科學家的關注。電解水制氫是目前最為成熟，易于工業(yè)化，綠色環(huán)保的制氫方法。然而在電解水制氫的過程中，由于電催化劑過電位較大以及催化反應體系不完善導致能耗較高，嚴重阻礙了電解水制氫的工業(yè)應用。

通常情況下，制備電解水催化劑粉體，然后通過粘結(jié)劑負載在導電電極上進行電解水產(chǎn)氫。這種模式存在的問題是負載的催化劑容易脫落，而且粘結(jié)劑也會使電催化劑活性降低，尤其是高負載量的情況下。針對存在的技術(shù)問題，本發(fā)明可控鎳納米顆粒嵌入碳布，實現(xiàn)了不用粘結(jié)劑負載催化劑，而且柔性可裁剪，直接作為電解水電極，獲得了高效的電解水產(chǎn)氫效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對目前的研究現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種制備條件要求低、實用性強的鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極的制備方法。制得的鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極，具有催化過電位低和穩(wěn)定性好的電化學活性；將鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極應用于催化電解水，能獲得高的產(chǎn)氫效率。

本發(fā)明制備鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極，主要特點在于，鎳離子吸附于碳布，然后在還原性氣氛保護下高溫焙燒；在高溫情況下，金屬鎳刻蝕碳布，形成納米孔，金屬鎳顆粒嵌入到碳布里面，形成鎳納米顆粒嵌入碳布的主要結(jié)構(gòu)，制備得到鎳納米顆粒嵌入的碳布，并作為柔性的電解水產(chǎn)氫電極。

一種鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極的制備方法，包括如下步驟：將碳布浸泡在含鎳離子水溶液中，靜置，使鎳離子吸附于碳布；將吸附鎳離子的碳布冷凍干燥，然后在還原性氣氛下煅燒，得到所述鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極。

進一步地，所述碳布為碳氈、碳紙、碳泡沫或碳纖維中的一種所替代。

進一步地，所述含鎳離子水溶液為鎳鹽的水溶液，包括醋酸鎳水溶液、硫酸鎳水溶液和氯化鎳水溶液中的一種。

進一步地，所述含鎳離子水溶液的濃度為0.5-5mol/L。

進一步地，所述靜置的時間為6-48小時。

進一步地，所述還原性氣氛包括純氫氣、氬氫混合氣和氮氫混合氣中的一種。

進一步地，所述煅燒的溫度為700~1000℃，煅燒的時間為1-5小時。

更進一步地，所述煅燒的溫度為700 ℃、800 ℃、900 ℃、1000 ℃。

由上述任一項所述制備方法制得的鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極應用在電解水產(chǎn)氫領域。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：

（1）本發(fā)明制備方法簡單可控，可大規(guī)模制備；

（2）本發(fā)明制備的鎳納米顆粒嵌入碳布作為電極具有柔性、導電性好、不用粘結(jié)劑和易裁切等優(yōu)勢，在清潔氫能源的高效制備方面有很好的應用前景；

（3）制得的鎳納米顆粒嵌入碳布柔性電極，具有催化過電位低和穩(wěn)定性好的電化學活性。

附圖說明

圖1為實施例1制得的鎳納米顆粒嵌入碳布的XRD圖；

圖2為實施例1制得的鎳納米顆粒嵌入碳布的掃描電鏡圖；

圖3為實施例2中鎳納米顆粒嵌入碳布作為電極的極化曲線圖；

圖4為實施例3中鎳納米顆粒嵌入碳布作為電極的時間-電流曲線圖；

圖5為實施例3中鎳納米顆粒嵌入碳布作為電極的時間-電流測試之后的掃描電鏡圖；

圖6為實施例4中兩電極極化曲線圖；

圖7為實施例4中兩電極時間-電流測試曲線圖；

圖8 為實施例5制得的鎳納米顆粒嵌入碳布的掃描電鏡圖；

圖9 為實施例6制得的鎳納米顆粒嵌入碳布的掃描電鏡圖；

圖10為實施例7制得的鎳納米顆粒嵌入碳布的掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下通過實施例對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明不限于以下實施例。

實施例1

將碳布浸泡到2mol/L乙酸鎳水溶液，靜置6小時吸附鎳離子；吸附鎳離子的碳布冷凍干燥，然后在10vol% H₂ /Ar氣氛下，900℃煅燒3小時，即得鎳納米顆粒嵌入碳布。

通過X射線電子衍射表征電極包含碳和金屬鎳兩種組分，如圖1；通過掃描電子顯微鏡觀察到直徑為100-200納米的鎳納米顆粒嵌入到碳布中，碳布表面有大量的孔洞，如圖2。

實施例2

采用實施例1中獲得的鎳納米顆粒嵌入碳布直接作為工作電極，碳布和甘汞電極分別為對電極和參比電極，0.1 mol/L的氫氧化鉀溶液為電解液。

采用線性伏安掃描測試其極化曲線如圖3，由圖3可知，獲得的鎳納米顆粒嵌入碳布具有低的電解水產(chǎn)氫過電勢，達到10 mA/cm²的電流密度時電壓為71.8 mV。

實施例3

采用實例1中獲得的鎳納米顆粒嵌入碳布直接作為工作電極，電化學測試過程同實例2。

采用時間-電流方法測試其催化電流密度，初始催化電流密度為-147.2 mA cm^-2，催化反應113.8小時未見催化電流密度降低，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖4）。

催化電解反應結(jié)束后的鎳納米顆粒嵌入碳布形貌如圖5，未見納米顆粒脫落，顯示了強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

實施例4

采用實例1中獲得的鎳納米顆粒嵌入碳布直接作為工作電極，電化學測試過程同實例2。

采用兩電極體系，鎳納米顆粒嵌入碳布為工作電極，對電極采用氫氧化鐵鎳負載的碳布，測試極化曲線如圖6，達到10 mA/cm²電流密度時電解水電位為1.49 V。

通過采用時間-電流方法測試其催化電流密度，催化反應33小時未見催化電流密度降低，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性（圖7）

實施例5

制備步驟同實例1，不同之處是：將碳布浸泡到5 mol/L乙酸鎳水溶液，靜置12小時，煅燒溫度改為700 ℃，煅燒時間1小時。

通過掃描電鏡表征鎳納米顆粒嵌入碳布的形貌，如圖8，碳布表面開始有少量的小孔生成，尺寸在20-70納米的鎳納米顆粒部分嵌入碳布，大部分顯露在外面。

實施例6

制備步驟同實例1，不同之處是：將碳布浸泡到5 mol/L乙酸鎳水溶液，靜置48小時，煅燒溫度改為800 ℃，煅燒時間3小時。

通過掃描電鏡表征鎳納米顆粒嵌入碳布的形貌圖如圖9，由圖9可知碳布表面開始有大量的孔生成，孔深度增加，而且鎳顆粒尺寸明顯比700℃的增大，為30-100納米。

實施例7

制備步驟同實例1，不同之處是：將碳布浸泡到0.5 mol/L乙酸鎳水溶液，煅燒溫度改為1000 ℃，煅燒時間5小時。

通過掃描電鏡表征鎳納米顆粒嵌入碳布的形貌圖如圖10，由圖10可知碳表面開始有大量的大尺寸孔洞，鎳顆粒尺寸為200-500納米。