一种镀层的制备方法、应用该制备方法的电极、家电设备与流程

电解或电泳工艺的制造及其应用技术1.本发明属于电解水制氢技术领域，具体涉及一种镀层的制备方法、应用该制备方法的电极、家电设备。背景技术：2.在科技进步和环境需求的共同驱动下，全球能源结构正在向更清洁、更低碳的燃料转型。在各种替代能源战略中，氢能作为一种高密度、洁净、可再生的二次能源，具有热值高、不产生任何污染、来源广泛等优点。与石油和天然气不同，氢能不是一次能源，氢能作为能源载体在地球上不是自然存在的，因此大规模利用氢气只能工业制取。3.目前氢气生产主要依赖化石燃料，然而化石能源是有限且不可再生的，化石燃料的制氢技术并不能真正解决污染和二氧化碳的排放问题。由于电解水的原料是水，水资源丰富并可循环再生，在诸多的制氢途径中，电解水是最有希望作为可持续利用的制氢方式。4.虽然电解水技术可以进行氢气的有效制取，但其能量转换效率不尽如人意，仍需通过不断改进技术和开发电极材料来提升电解水的能源转换效率。众所周知，pt基贵金属材料是理想的电解水制氢的催化电极材料，但高昂的价格和有限的储量限制了pt基贵金属材料的大规模应用，因此开发具有高催化活性的非贵金属阴极析氢催化材料，提高电解水效率并降低能耗，具有重要的意义。5.在电解水领域中，常常采用直流电沉积的方法制备钴基、ni基合金镀层催化剂，用以替代价格昂贵的铂、铑等贵金属催化剂。但是在直流电沉积的过程中，受沉积方式的影响，无法实现对镀层沉积过程的有效控制，不利于镀层性能的提升。技术实现要素：6.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种钴基合金催化镀层的制备方法，该制备方法采用了脉冲电沉积的沉积方式，通过调节沉积电流密度、占空比和沉积时间，实现了对镀层沉积过程的有效控制，有利于镀层析氢反应催化性能的提升。7.本发明还提出上述制备方法的应用。8.本发明还提出析氢电极，该析氢电极含有上述制备方法制备得到的钴基合金催化镀层。9.本发明还提出家电设备，该家电设备含有上述制备方法制备得到的钴基合金催化镀层或析氢电极。10.具体而言，本发明的第一方面提供了钴基合金催化镀层的制备方法，所述制备方法为：将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在所述基体材料的表面形成所述的钴基合金催化镀层，所述脉冲电沉积的沉积电流密度≥200ma/cm2，占空比≥40％，沉积时间为20min～45min。11.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的脉冲频率为40hz～60hz。12.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的脉冲频率为约50hz。13.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的电流密度为200ma/cm2～300ma/cm2。14.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的电流密度为约250ma/cm2。15.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的占空比为40％～80％。16.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的占空比为约80％。17.根据本发明的一种实施方式，所述脉冲电沉积的沉积时间为约40min。18.根据本发明的一种实施方式，所述钴基合金催化镀层为co-mo合金催化镀层或co-ni合金催化镀层。19.根据本发明的一种实施方式，所述钴基合金催化镀层为co-mo合金催化镀层。20.根据本发明的一种实施方式，所述基体材料包括铜、碳钢、不锈钢、钛、钴、镍或碳。21.根据本发明的一种实施方式，所述基体材料选为铜。22.根据本发明的一种实施方式，所述电镀液，ph为8～9。23.根据本发明的一种实施方式，所述电镀液中，含有钴盐和柠檬酸盐。24.根据本发明的一种实施方式，所述电镀液的ph为8～10。25.根据本发明的一种实施方式，所述电镀液中，含有钴盐170mmol/l～210mmol/l，钼酸盐30mmol/l～50mmol/l，柠檬酸盐80mmol/l～140mmol/l。26.根据本发明的一种实施方式，所述电镀液中，含有钴盐180mmol/l～200mmol/l，钼酸盐40mmol/l～50mmol/l，柠檬酸盐110mmol/l～120mmol/l。27.根据本发明的一种实施方式，所述钴盐包括硫酸钴或氯化钴。28.根据本发明的一种实施方式，所述钴盐包括六水合硫酸钴或六水合氯化钴。29.根据本发明的一种实施方式，所述钴盐为六水合硫酸钴。30.由于镀层沉积主要是依靠阳离子的，因此选择的钴盐只要是能够溶于镀液(一般为水成为离子态即可。31.电镀液中，钴、钼的沉积属于诱导共沉积，柠檬酸钠的存在可以对钴钼的诱导共沉积过程产生激励作用，有利于钼元素的沉积。在柠檬酸钠的基础上，还可以再添加其他成分对镀层性能进行改善，但是需要进行后续试验验证。32.本发明的第二方面提供了上述制备方法得到的钴基合金催化镀层在制备析氢电极中的应用。33.本发明的第三方面提供了析氢电极，该析氢电极含有上述制备方法制备得到的钴基合金催化镀层。34.本发明的第四方面提供了家电设备，该家电设备含有上述制备方法制备得到的钴基合金催化镀层或析氢电极。35.本发明的钴基合金催化镀层的制备方法，至少具有以下有益效果：36.本发明的制备方法中，采用了脉冲电沉积的沉积方式，在基体材料的表面形成所述的钴基合金催化镀层，由于脉冲电沉积过程中，每个周期内都存在有通断电的过程，从而可以使得沉积后工作电极附近的电镀液能够得到及时的补充，利于下一次沉积的进行。37.本发明的制备方法中，脉冲电沉积的电流密度大于直流电沉积过程，大电流密度可以使得沉积的镀层晶粒更加细小，制备得到的钴基合金催化镀层，表面由小颗粒球体聚积而成，呈现出类似于花菜的微观形貌，从而增大了镀层的有效表面积，可以提供更多的析氢反应活性位点，最终有利于镀层性能的提升。38.本发明的制备方法，还可以应用于其它类似的钴基合金催化镀层的制备，并且可以通过对电镀液配方进行优化，能够进一步提升镀层的性能。39.根据本发明的一种实施方式，钴基合金催化镀层中，钴元素的质量百分数为55％～65％，钼元素的质量百分数为15％～20％。附图说明40.图1是实施例2至4和对比例1在不同占空比条件下过电位的检测结果图。41.图2是实施例4、5和对比例2、3在不同电流密度条件下过电位的检测结果图。42.图3是实施例6至实施例10在不同沉积时间条件下过电位的检测结果图。43.图4是实施例1和对比例4的极化曲线。44.图5是实施例1和对比例4的塔菲尔图形。45.图6是实施例1的co-mo合金催化镀层的扫描电镜检测结果图。46.图7是对比例4的co-mo合金催化镀层的扫描电镜检测结果图。具体实施方式47.以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。48.实施例149.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。50.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。51.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为300ma/cm2，占空比为80％，沉积时间为30min，脉冲频率为500hz。52.实施例253.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴90g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。54.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。55.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为40％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。56.实施例357.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。58.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。59.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为60％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。60.实施例461.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。62.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。63.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为80％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。64.对比例165.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。66.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。67.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为20％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。68.实施例569.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。70.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。71.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为200ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。72.实施例673.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。74.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。75.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。76.对比例277.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。78.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。79.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为100ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。80.对比例381.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。82.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。83.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为150ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。84.实施例785.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。86.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。87.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为25min，脉冲频率为500hz。88.实施例889.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。90.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。91.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为30min，脉冲频率为500hz。92.实施例993.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。94.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。95.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为35min，脉冲频率为500hz。96.实施例1097.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴50g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。98.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。99.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为40min，脉冲频率为500hz。100.实施例11101.本实施例制备了一种co-mo合金催化镀层，具体方法为：以铜作为沉积镀层的基体，在封样之后需要经过研磨、抛光、酸洗、除油、干燥处理后方可进行沉积。沉积过程中，基体作为阴极用于钴、钼阳离子的沉积，阳极采用石墨棒。每升电镀液含有六水合硫酸钴5g，钼酸钠9g，柠檬酸钠30g，通过硫酸和氢氧化钠调节电镀液的ph为8～9，配制电镀液的过程中，用磁力搅拌器进行搅拌。102.样品制备好之后，需要经过纯水清洗、干燥处理之后方可进行使用。103.将基体材料置于电镀液中，以脉冲电沉积的方式，在基体材料的表面形成钴基合金催化镀层，脉冲电沉积的沉积电流密度为250ma/cm2，占空比为70％，沉积时间为45min，脉冲频率为500hz。104.对比例4105.本例通过直流电沉积制备了一种co-mo合金催化镀层，沉积时间为30min，沉积电流密度为130ma/cm2。106.检测例107.将上述实施例和对比例制备得到的样品通过辰华chi660e电化学工作站，在1mol/l的koh溶液中进行检测。检测采用三电极方式，对电极为铂电极，参比电极为hgo电极。检测析氢性能时，使用扫描线性伏安法(linear sweep voltammetry，简称lsv)，通过观察在电流密度为10ma/cm2状态下对应的电压值。一般情况下，电压值越小，代表析氢性能越好。108.实施例2至4和对比例1的检测结果如图1所示。图1中，占空比为20％、40％、60％和80％时的检测结果，分别对应的是对比例1、实施例2、实施例3和实施例4。从图1可以看出，随着占空比的增加，过电位显著降低。109.实施例5、6和对比例2、3的检测结果如图2所示。图2中，电流密度为100ma/cm2、150ma/cm2、200ma/cm2和250ma/cm2时的检测结果，分别对应的是对比例2、对比例3、实施例5和实施例6。从图2可以看出，随着沉积电流密度的增加，过电位显著降低。110.实施例7至实施例11的检测结果如图3所示，图3中，沉积时间为25min时对应的是实施例7；沉积时间为30min时对应的是实施例8；沉积时间为35min时对应的是实施例9；沉积时间为40min时对应的是实施例10；沉积时间为45min时对应的是实施例11。从图3可以看出，随着沉积时间的增加，过电位降低，当沉积时间为40min时，过电位达到了最低值，之后随着沉积时间的延长，过单位呈现出上升的趋势。111.通过lsv测量了实施例1和对比例4的极化曲线，电位区间为镀层开路电位(vs hgo)至-0.3v(vs hgo)，扫描速度为0.001v/s，塔菲尔曲线根据lsv测试结果经过计算变换得到，如图4所示。图4中，脉冲电沉积制备得到的co-mo合金催化镀层过电位相对于标准氢电极电位为-71mv，与直流电沉积制备的样品的-88mv相比，性能提升了接近19％。112.通过lsv得到的图像，经过数据处理之后，得到塔菲尔图形，如图5所示。可以通过塔菲尔图形的斜率来表征镀层的析氢性能，斜率越小，镀层性能越好。脉冲电沉积制备得到的co-mo合金催化镀层的塔菲尔斜率为80.45mv/dec，与直流电沉积的83.59mv/dec相比，性能同样有所提升。113.通过扫描电镜观察了实施例1和对比例4的co-mo合金催化镀层的表面形貌，如图6和图7所示。图6为实施例1的co-mo合金催化镀层的表面形貌，图7为对比例4的co-mo合金催化镀层的表面形貌。参考图6和图7，脉冲电沉积和直流电沉积制备的co-mo合金催化镀层，微观表面都呈现出类似“花椰菜”的形貌，聚簇成小球状，具有较大的比表面积。并且脉冲电沉积制备的样品，小球的形貌略小于直流电沉积制备的样品。此外，还可以明显看到对比例4直流沉积的样品中存在较多空洞。114.co-mo镀层的沉积过程属于诱导共沉积，沉积时，在钴元素的作用下，钼元素得以沉积出来。因此钴元素的量会对钼元素的沉积产生影响。随着电流密度、时间等的增大，镀层中沉积的钴元素在逐渐增多，相应的，在钴元素的诱导下，镀层中可以沉积的钼元素也逐渐增多。但是由于钼元素原子直径(278pm)比钴元素原子直径(125pm)大，在基材面积一定时，随着镀层中钼元素的增多，可供钴元素存在的位置逐渐减小，会抑制钴元素的沉积，而钴元素沉积速度的减小，也会使得钼元素的沉积速度下降。最终镀层中的钴、钼元素的含量达到一个平衡状态，镀层性能基本保持稳定。115.上述实施例、对比例和检测结果表明，在制备co-mo合金催化镀层时，采用脉冲电沉积的沉积方式，通过调节沉积电流密度、占空比和沉积时间等参数，可以促进沉积过程的进行，利于镀层性能的提升。将本发明的制备方法用于制备析氢电极，制得的析氢电极具有良好的催化析氢性能，能够代替催化领域所使用的价格昂贵的贵金属基电极，具有良好的应用前景。116.上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。









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