本發(fā)明涉及電催化合金，具體涉及一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、近些年隨著人類化學(xué)工業(yè)的發(fā)展壯大，傳統(tǒng)的化石能源燃料目前正面臨資源短缺和環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重制約著其前進(jìn)方向。因此，通過電催化分解水技術(shù)來獲取氫能是解決上述問題的有效途徑之一。對于電解水析氫反應(yīng)，自身反應(yīng)緩慢的動力學(xué)制約了其推廣及應(yīng)用，因此，解決這一問題的關(guān)鍵主是開發(fā)高效且穩(wěn)定的電化學(xué)催化劑，以此來降低電化學(xué)析氫反應(yīng)(her)的過電壓，并優(yōu)化催化劑表面活性位點(diǎn)的析氫吉布斯自由能(δgh)。到目前為止，在電化學(xué)析氫催化劑的研究領(lǐng)域中最受歡迎的仍是鉑(pt)基材料，然而限制pt廣泛應(yīng)用的主要障礙還是來源于它的高成本和地殼中含量稀缺，因此，該研究領(lǐng)域的首要任務(wù)是探索價(jià)格低廉、儲量豐富、高催化效率的析氫催化劑。

2、研究表明，鎳具有良好的耐堿性腐蝕性，因此廣泛應(yīng)用于堿性her中。然而，由于其固有的電子結(jié)構(gòu)，原始的鎳金屬表現(xiàn)出較差的her活性。因此，已有研究主要通過改變催化劑內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)，增大比表面積以提高ni電催化劑的析氫性能。例如引入缺陷工程，使用激光照射來去除某一種元素產(chǎn)生晶格畸變，調(diào)整電催化劑的表面組成和活性位點(diǎn)周圍的局部環(huán)境，使得電催化劑的her性能得到了改善。也有采用引入稀土元素或者非晶來獲得多組元的涂層，獲得her性能的提高。但通常方法獲得的都是均一結(jié)構(gòu)，對制備的工藝條件要求高，而且結(jié)構(gòu)無自由度，難以適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面。

3、本發(fā)明提出一種開發(fā)層狀堆疊結(jié)構(gòu)的制備方法，來構(gòu)筑和設(shè)計(jì)性能好、穩(wěn)定性高的催化劑，由于層狀堆疊結(jié)構(gòu)具有較好的柔性，可以自由彎折以適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面，同時(shí)所采用的電沉積方法簡便易行，使得成本低廉，操作簡單，易于實(shí)現(xiàn)高效的電解水析氫反應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了綜合解決上述問題，本發(fā)明通過電化學(xué)沉積以及去合金化形成柔性的層狀堆疊結(jié)構(gòu)，使得催化劑的比表面積增大，可以形成電催化活性高、性能穩(wěn)定且具有優(yōu)異機(jī)械變形性能和綜合功能的電催化析氫材料。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料，以ti為基底，利用電化學(xué)沉積方法將cu和ni依次疊加在ti基底表面，沉積得到層狀堆疊結(jié)構(gòu)；將層狀堆疊結(jié)構(gòu)沉積層的最底面與一根帶有絕緣層的銅導(dǎo)線連接，然后利用環(huán)氧樹脂封裝，再使用線切割將橫截面暴露；將切割后的層狀堆疊結(jié)構(gòu)放置在na2so4和(nh4)2so4的混合溶液中使用線性掃描伏安法將cu去除掉，形成粗糙的凹槽結(jié)構(gòu)，最終得到具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫合金材料。

3、本發(fā)明第二方面提供一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料的制備方法，包括：

4、步驟1：將ti基底打磨光滑，利用電化學(xué)沉積方法將cu和ni依次疊加在ti基底表面，沉積得到層狀堆疊結(jié)構(gòu)；

5、步驟2：將層狀堆疊結(jié)構(gòu)沉積層的最底面與一根帶有絕緣層的銅導(dǎo)線連接，然后利用環(huán)氧樹脂封裝，再使用線切割將橫截面暴露；

6、步驟3：將步驟2切割后的層狀堆疊結(jié)構(gòu)放置在na2so4和(nh4)2so4的混合溶液中使用線性掃描伏安法將cu去除掉，形成粗糙的凹槽結(jié)構(gòu)，最終得到具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫合金材料。

7、優(yōu)選的，步驟1的ti基底依次經(jīng)過400#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙的打磨，然后放置在無水乙醇里面超聲震蕩清洗1min。

8、優(yōu)選的，步驟1.1電化學(xué)沉積方法中cu和ni的參數(shù)設(shè)置如下：cu的沉積電流為-120ma，時(shí)間為15min；ni的沉積電流為-30ma，時(shí)間為40min。

9、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

10、1.本發(fā)明制備的柔性催化材料ni-cu，選擇柔韌性較好的銅元素作為合金化對象，能夠得到具有延展性和高導(dǎo)電性的催化劑材料，同時(shí)兼顧優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在堿性溶液中表現(xiàn)出良好的電催化析氫性能。

11、2.本發(fā)明采用的電化學(xué)沉積方法操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉。利用金屬離子的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)低功耗制備，同時(shí)能夠通過對沉積時(shí)間的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)ni層與凹槽不同占比的靈活調(diào)節(jié)。

12、3.本發(fā)明的合金化方法可以使得橫截面內(nèi)部微觀組織形成微米級尺度的層狀凹槽結(jié)構(gòu)，為反應(yīng)提供了大的比表面積并暴露出更多的催化活性位點(diǎn)，從而使其能夠在電催化期間有效地加速質(zhì)量傳輸和離子擴(kuò)散，促進(jìn)優(yōu)異的her動力學(xué)。同時(shí)能夠有效降低成本，具有很大的普適性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

13、4.本發(fā)明制備的柔性電催化材料具有一定的機(jī)械柔韌性，可以通過人工多步折疊，且任意折疊，實(shí)現(xiàn)在較小空間內(nèi)增大反應(yīng)面積，可以做到多元化和小型化，能夠最大程度利用空間，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)；

14、5.本發(fā)明制備的柔性電催化材料可根據(jù)不同應(yīng)用場景需求進(jìn)行折疊設(shè)計(jì)形成任意形狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，例如，可以用作具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道反應(yīng)器中的板式催化劑用于制氫。

技術(shù)特征：

1.一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料，其特征在于：以ti為基底，利用電化學(xué)沉積方法將cu和ni依次疊加在ti基底表面，沉積得到層狀堆疊結(jié)構(gòu)；將層狀堆疊結(jié)構(gòu)沉積層的最底面與一根帶有絕緣層的銅導(dǎo)線連接，然后利用環(huán)氧樹脂封裝，再使用線切割將橫截面暴露；將切割后的層狀堆疊結(jié)構(gòu)放置在na2so4和(nh4)2so4的混合溶液中使用線性掃描伏安法將cu去除掉，形成粗糙的凹槽結(jié)構(gòu)，最終得到具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫合金材料。

2.一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料的制備方法，其特征在于：包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料的制備方法，其特征在于：步驟1的ti基底依次經(jīng)過400#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙的打磨，然后放置在無水乙醇里面超聲震蕩清洗1min。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料的制備方法，其特征在于：步驟1電化學(xué)沉積方法中cu和ni的參數(shù)設(shè)置如下：cu的沉積電流為-120ma，時(shí)間為15min；ni的沉積電流為-30ma，時(shí)間為40min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電催化合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫柔性合金材料及其制備方法。制備方法包括：步驟1：利用電化學(xué)沉積方法將Cu和Ni依次疊加在Ti基底表面，沉積得到層狀堆疊結(jié)構(gòu)；步驟2：將層狀堆疊結(jié)構(gòu)沉積層的最底面與一根帶有絕緣層的銅導(dǎo)線連接，然后利用環(huán)氧樹脂封裝，再使用線切割將橫截面暴露；步驟3：將層狀堆疊結(jié)構(gòu)放置在Na<subgt;2</subgt;SO<subgt;4</subgt;和(NH<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;SO<subgt;4</subgt;的混合溶液中使用線性掃描伏安法將Cu去除掉，形成粗糙的凹槽結(jié)構(gòu)，得到具有層狀堆疊結(jié)構(gòu)的電催化析氫合金材料。本發(fā)明通過電化學(xué)沉積以及去合金化形成柔性的層狀堆疊結(jié)構(gòu)，并增加表面積，可以形成電催化活性高、性能穩(wěn)定且具有優(yōu)異機(jī)械變形性能和綜合功能的電催化析氫材料。

技術(shù)研發(fā)人員：雷曉維,魏佳怡,王楠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15