[發明專利]一種電催化水分解制氧電極的制備方法

在審

• 申請號: 201510822727.2
• 申請日: 2015-11-24
• 公開（公告）號: CN105369306A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發明（設計）人: 王博;王璐
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C25D3/56
• 分類號: C25D3/56;C25B1/04;C25B11/06;C25B11/03;H01M4/88;H01M12/06
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安

技術領域

本發明涉及一種電催化水分解制氧電極的制備方法，具體涉及了一種Fe/Ni雙金屬與均苯三甲酸配位的金屬有機骨架材料(MOFs)的電催化水分解制氧電極的制備方法，屬于電沉積/電催化領域。

背景技術

現代社會的可持續發展需要穩定的持續的清潔能源的轉化及存儲裝置，如太陽能光解水裝置，金屬空氣電池以及燃料電池等。然而這些裝置的效率無一例外都被一個重要的反應所限制，即制氧反應。該反應作為體系中質子和電子的來源，會發生4個電子和4個質子的轉移，反應慢、效率低、能耗高，大大制約相關裝置的效率。突破上述裝置的效率的核心在于設計合成高效節能且穩定的制氧催化劑。目前催化效果最好的催化劑主要是Ru和Ir貴金屬及其衍生物，但由于這兩種元素的稀缺，使得這種催化劑并不能被廣泛利用。因此，非貴金屬催化劑的開發和研究具有極為重要的意義。

金屬有機骨架材料(MOFs)作為一種新型的多孔材料，是由金屬離子或者金屬團簇與有機配體連接起來形成一維、二維或者三維網狀結構，兼具無機和有機材料的優點。由于具有較高的孔隙率、有序的開放孔道、結構的多樣性以及官能團的可調控性等特點，金屬有機骨架材料在氣體儲存與分離、催化、傳感、藥物釋放等領域都發揮著極其重要的作用。由于其具有多種多樣的金屬團簇，且在同一拓撲學結構中可容納多種金屬元素，MOFs在非均相電催化領域也逐漸受到關注。

對于絕大多數的非均相催化反應，催化劑都是粉體，為了增加反應活性和接觸面積，通常需要對催化劑造粒或者制備成薄膜。但是絕大部分的MOFs都是易碎的晶體，造粒就需要加入高分子粘結劑或其他添加劑。尤其是對于電化學催化反應，MOFs一般都會被涂覆在導電的基底表面，這一過程必須使用粘結劑，例如Nafion。這些粘結劑都是絕緣體且沒有催化活性，而且還可能會覆蓋住MOFs表面的孔道，從而大大降低MOFs的催化活性。因此，一種不使用粘結劑、直接在電極表面生長MOF膜的制備方法就顯得極為重要。

電化學沉積是一種快速的可大規模使用的工藝，已經被應用到MOFs膜的制備中。通過電化學沉積，多孔的非均相催化劑可以沉積在導電基底表面，從而構成制氧電極。然而，基于現有電化學沉積MOFs膜技術，只能得到單一金屬組分的且不具有電催化活性的MOFs膜，因此所制備的MOFs膜不能應用于電催化領域。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種電催化水分解制氧電極的制備方法，利用所述方法制備的Fe/Ni雙金屬與均苯三甲酸配位的金屬有機骨架材料的電催化水分解制氧電極不含有粘結劑，電極活性高，壽命長，產氧效率高，循環周期長，且制備方法簡單易行，成本低廉。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種電催化水分解制氧電極的制備方法，所述制備方法具體步驟包括：

(1)電解液的制備：將Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O與均苯三甲酸(BTC)溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，再加入甲基三丁基硫酸銨甲酯作為支持電解質，充分攪拌至完全溶解后，得到Fe/Ni雙金屬與均苯三甲酸配位的金屬有機骨架材料(Fe/Ni-BTC)的電解液；

(2)組裝標準的三電極體系：以泡沫鎳為工作電極，以銀/氯化銀飽和電極為參比電極，以鉑片為對電極，以步驟(1)中所配溶液為電解液，組裝成標準的三電極體系；

(3)制氧電極的制備：將步驟(2)中標準的三電極體系連接至電化學工作站，在-1～-2V下進行恒電位電沉積，沉積20～60s后，從電解液中將工作電極取出，清洗干凈后置于80～100℃烘箱中烘干，得到所述的電催化水分解制氧電極。

步驟(1)中所述Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、均苯三甲酸和甲基三丁基硫酸銨甲酯的摩爾比優選為9:1:20:20。

優選地，步驟(2)中所述泡沫鎳在使用前要用乙醇進行浸泡、超聲、清洗，最后烘干。

步驟(3)中，優選在-1.5V下進行恒電位電沉積，沉積30s。

有益效果