一种水电解用泡沫电极的制备方法 【技术领域】
本发明属于水电解技术领域，特别涉及一种水电解用泡沫电极的制备方法。
背景技术
氢气是一种非常重要的工业气体品种，在化工、能源、电子、冶金、食品、机械、航空航天、核工业等诸多领域中都有广泛的应用。例如在合成氨、甲醇等化工行业，氢气的供应和生产成本直接决定着这些基础材料的生产成本，影响着整个行业的方展。氢气作为一种清洁能源，越来越受到关注，而且需求量逐渐增加。
水电解制氢是生产氢气的重要方法之一，其工艺原理是利用两个不起化学反应的电极，用一种无机酸或一种碱金属氢氧化物的水溶液传导直流电流时，在阴极生成氢气，在阳极生成氧气。经过工艺改进后采用所有电极并联连接的单极性电解槽和所有电极串联连接的双极性电解槽进行电解。但是由于水电解制氢的电极材料开发较为落后，析氢催化活性较低，导致电解成本过高，无法商业性的大规模利用。国内外进行大量研究，不断提高电极性能。
提高水电解制氢的电催化活性主要有两种方式。一是，开发在电解条件下具有较低的析氢过电位的电极材料，通常是一些含有d电子的过渡金属的合金电极，如Ti-Ni、Ni-Mo、Co-Zr等，在电解的过程中具有能够发生d电子的协同作用，降低析氢过电位。二是，提高电极的比表面积，改善电极表面微结构，以提高反应面积并增大电极的活性。
泡沫电极材料具有发达的三维立体结构，通过控制泡沫电极制备的原料和工艺，可以得到三维方向均匀一致、性能稳定的泡沫电极材料，并且通过控制聚氨酯泡沫的性能指标很容易实现电极材料的尺寸、孔数、厚度等参数。同时，由于其发达的空间结构，使其在保持一定强度的情况下，极大地增加了电极材料的比表面积，提高了电极的活性。通过控制制备泡沫电极的工艺，可以达到控制电极材料的组成和结构的目的，最终实现高性能电极性能的各项要求。现使用最多的是用于电池中用的电极，其优异的导电性、稳定性、均匀性等性质成为碱性电池和燃料电池不可缺少的材料。但是泡沫电极材料用于电解水制氢工业中的报道较少。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种水电解用泡沫电极的制备方法。
一种水电解用泡沫电极的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下，
(1)选择厚度为0.5～5mm，面密度为200～800g/m2，孔数为50～200PPI的泡沫镍作为电极材料的基材；
(2)泡沫镍表面除油污；
(3)在室温下，将泡沫镍在浓度为5～20％的酸溶液中浸泡5～10min，对泡沫镍进行表面活化处理；
(4)用纯水将活化后的泡沫镍冲洗干净，迅速浸入电沉积槽中作为阴极进行电沉积，制备活性表面，电沉积液为含有镍离子、钴离子、钼离子和稀土元素阳离子的盐溶液，镍、钴、钼和稀土元素阳离子摩尔浓度比为，镍离子∶钴离子∶钼离子∶稀土元素阳离子＝10∶2～5∶0.5～3∶0.2～1.5，沉积槽的阳极为钴、镍或惰性阳极，电沉积厚度为0.1～10μm；
(5)对沉积了活性表面的泡沫电极用去离子水清洗，然后烘干；
(6)在500～1000℃下进行热处理，热处理时间为0.5～5h；
(7)将热处理后的泡沫材料进行裁减，制作成电极材料。
所述表面除油污采用常规有机溶剂法或碱煮法。
所述稀土元素为镧或铈。
所述惰性阳极为高纯石墨或Pt电极。
所述酸溶液为硫酸溶液或盐酸和硫酸的混合溶液。
所述盐酸和硫酸的混合溶液，硫酸与盐酸摩尔比为5～10∶1。
本发明的有益效果为：采用本发明提供的方法制备出的高活性泡沫电极材料，可用于电解制氢工业中的电极材料，可以降低电解过程中氢的析出过电位，降低能耗，提高生产效率。
【附图说明】
图1是实施例1制备的高性能泡沫电极的SEM图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
一种水电解用泡沫电极的制备方法，该方法步骤如下，
(1)选择厚度为2mm，面密度为400±10g/m2，孔数为100～110PPI，直径为150mm的泡沫镍作为电极材料的基材；
(2)泡沫镍表面除油污，将泡沫镍放入带有超声发生器的油槽中，加入丙酮使泡沫镍完全浸泡在其中，开启电源，超声清洗5min后取出，待丙酮挥发，得到表面洁净地泡沫镍；
(3)在室温下，用夹具将泡沫镍与导电铜丝一起夹紧，将泡沫镍在浓度为10％的硫酸溶液中浸泡8min，对泡沫镍进行表面活化处理；
(4)用纯水将活化后的泡沫镍冲洗干净，迅速浸入电沉积槽中作为阴极进行电沉积，制备活性表面，电沉积液为含有硫酸镍、硫酸钴、钼酸钠和氯化镧的水溶液，其中镍、钴、钼和稀土元素离子摩尔浓度比为，镍离子∶钴离子∶钼离子∶稀土元素阳离子＝10∶2∶1∶1，加入沉积槽的阳极为石墨惰性阳极，电沉积厚度为1.5μm，电沉积一定的厚度用以防止由于电极腐蚀导致电极活性表层的过早失效和表面层过厚而导致的镀层剥离、脱落等产生的问题；
(5)对沉积了活性表面的泡沫电极用去离子水清洗，至清洗液中检测不出硫酸根和氯离子后烘干；
(6)在800℃下进行热处理，热处理时间为4h，用以减小镀层在使用过程中的剥离和脱落等问题，消除部分应力，提高表面层结合力；
(7)将热处理后的泡沫材料进行裁减，剪裁至直径为130mm的圆形泡沫电极，制作成电极材料。
制备的活性表面的泡沫电极表面元素含量为(X射线光谱法测定)：Ni：79.1％、Mo：15.4％、Co：3.5％，余量为其他微量元素，制备的高性能泡沫电极的SEM图如图1所示。
实施例2
一种水电解用泡沫电极的制备方法，该方法步骤如下，
(1)选择厚度为2mm，面密度为500±10g/m2，孔数为70～80PPI，直径为150mm的泡沫镍作为电极材料的基材；
(2)泡沫镍表面除油污，采用碱煮法，碱液配方如下：NaOH为50g/L，Na2CO3为30g/L，Na3PO4为20g/L，将碱液加热到80℃，处理30min以去除油污，使泡沫镍表面洁净；
(3)在室温下，用夹具将泡沫镍与导电铜丝一起夹紧，将泡沫镍在浓度为10％的硫酸与盐酸摩尔比为10∶1的盐酸和硫酸的混合溶液中浸泡10min，对泡沫镍进行表面活化处理，向稀硫酸中加入少许盐酸可增加活化处理效果；
(4)用纯水将活化后的泡沫镍冲洗干净，迅速浸入电沉积槽中作为阴极进行电沉积，制备活性表面，电沉积液为含有硫酸镍、硫酸钴、钼酸钠和氯化镧的水溶液，其中镍、钴、钼和稀土阳元素离子摩尔浓度比为，镍离子∶钴离子∶钼离子∶稀土元素阳离子＝10∶3∶2∶1，阳极为Pt电极，电沉积厚度为3μm，电沉积一定的厚度用以防止由于电极腐蚀导致电极活性表层的过早失效和表面层过厚而导致的镀层剥离、脱落等产生的问题；
(5)对沉积了活性表面的泡沫电极用去离子水清洗，至清洗液中检测不出硫酸根和氯离子后烘干；
(6)在950℃下进行热处理，热处理时间为3h，用以减小镀层在使用过程中的剥离和脱落等问题，消除部分应力，提高表面层结合力；
(7)将热处理后的泡沫材料进行裁减，剪裁至直径为130mm的圆形泡沫电极，制作成电极材料。
制备的活性表面的泡沫电极表面元素含量为(X射线光谱法测定)：Ni：53.0％、Mo：38.1％、Co：8.1％，余量为其他微量元素。