[發(fā)明專利]碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料及其制備方法和在電催化析氧中的應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010421554.4
• 申請(qǐng)日: 2020-05-18
• 公開（公告）號(hào): CN111558387A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷蕾;黃丹蓮;許飄;賴萃;程敏;陳莎;鄧銳;陳亞詩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J27/22
• 分類號(hào): B01J27/22;B01J35/00;B01J37/02;B01J37/08;B01J37/34;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所(普通合伙) 43008
• 代理人: 何文紅

本發(fā)明公開了一種碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料及其制備方法和在電催化析氧中的應(yīng)用，該碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料包括碳化鉬和泡沫鎳，碳化鉬負(fù)載在泡沫鎳上。其制備方法包括制備碳化鉬前驅(qū)體溶液，將碳化鉬前驅(qū)體覆蓋在泡沫鎳上，并將其進(jìn)行煅燒制得碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料。本發(fā)明碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料具有比表面積大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電催化性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種析氧效果好、性能穩(wěn)定、可被廣泛用于電催化析氧的新型電催化劑，可直接作為電極材料用于電催化析氧反應(yīng)，具有很高的使用價(jià)值和很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料的制備方法具有制備過程可控、制備工藝簡單、制備成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模制備，有利于工業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電催化析氧材料領(lǐng)域，涉及一種碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料及其制備方法和在電催化析氧中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

水分解反應(yīng)為以氫燃料形式為主的可再生能源的發(fā)展提供了一種有前途的途徑。水分解反應(yīng)的瓶頸是氧化半反應(yīng)，即析氧反應(yīng)(OER)，析氧反應(yīng)涉及連續(xù)四個(gè)電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移步驟的參與，且具有很高的熱力學(xué)電位以及緩慢的動(dòng)力學(xué)系數(shù)。目前，Ru-/Ir-基氧化物因其出色的長期催化活性被廣泛認(rèn)為是析氧反應(yīng)最有效的催化劑，然而，由于其稀缺性和高成本，它們廣泛的商業(yè)應(yīng)用受到極大阻礙。因此，可以同時(shí)降低過電勢(shì)，加快反應(yīng)速率，推動(dòng)析氧反應(yīng)中多電子和多質(zhì)子氧化反應(yīng)的高效、低成本的電催化劑被迫切需要。

目前，碳化鉬作為電催化劑主要用于析氫反應(yīng)(HER)或氧還原反應(yīng)(ORR)，而開發(fā)基于碳化鉬的析氧電催化劑仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題，這主要是因?yàn)镸o的d帶電子結(jié)構(gòu)與貴金屬Pt相似，而Pt則被公認(rèn)為是最理想的析氫反應(yīng)電催化劑，當(dāng)這類催化劑被用于析氧反應(yīng)時(shí)，其材料表面會(huì)不可避免地遭受析氧腐蝕，從而降低析氧性能，因此要想實(shí)現(xiàn)碳化鉬基電催化劑的高效析氧活性，關(guān)鍵是要解決材料在電解質(zhì)溶液中的穩(wěn)定問題。另外，碳化鉬基催化劑(尤其是納米晶相)的制備過程中還存在以下問題：碳化鉬納米晶體在較高的反應(yīng)溫度下會(huì)出現(xiàn)聚合和/或不成比例地生長，且碳化鉬表面在暴露于空氣時(shí)會(huì)被迅速氧化成氧化鉬(MoO_x)物種，上述問題的存在一方面使得催化性能降低，另一方面使得反應(yīng)機(jī)制的研究復(fù)雜化，不利于碳化鉬基催化劑的推廣和應(yīng)用。對(duì)于碳化鉬基催化劑的改進(jìn)策略，如金屬或非金屬摻雜，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等，雖然上述改進(jìn)策略能夠提高碳化鉬基催化劑的析氧活性，但是在實(shí)際的應(yīng)用過程中碳化鉬基材料的聚集/腐蝕會(huì)導(dǎo)致催化活性喪失，且該問題依舊沒有得到有效的解決；同時(shí)，上述采用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)策略，一方面使得材料的制備更為復(fù)雜，另一方面也使得該材料的析氧反應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜；更為嚴(yán)重的是，摻雜引入的雜原子可能會(huì)覆蓋碳化鉬上的活性位點(diǎn)，且在催化反應(yīng)中摻雜元素可能會(huì)被氧化或從材料中溢出，從而使得材料的催化性能顯著降低。此外，電催化劑的設(shè)計(jì)中電極材料的導(dǎo)電性是一個(gè)關(guān)鍵，而單純碳化鉬的導(dǎo)電性能差，因而往往需要涂敷到導(dǎo)電基底上，如二氧化硅或者玻碳電極等，但這些導(dǎo)電基底材料由于缺乏化學(xué)鍵的連接，進(jìn)而使得碳化鉬在進(jìn)行電催化時(shí)容易脫落，導(dǎo)致催化性能降低，即現(xiàn)有碳化鉬基復(fù)合材料存在穩(wěn)定性差的問題。因此，如何克服現(xiàn)有碳化鉬基復(fù)合材料中存在的上述問題，以獲得一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電催化性能好、制備過程可控、制備工藝簡單、制備成本低廉的用于析氧的碳化鉬基電催化劑，對(duì)于提高電催化析氧性能以擴(kuò)大新能源的應(yīng)用范圍具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、電催化性能好的碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料，還提供了一種制備過程可控、制備工藝簡單、制備成本低廉的碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料的制備方法以及該碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料作為電催化劑在電催化析氧中的應(yīng)用，該應(yīng)用方法具有工藝簡單、能耗低、析氧效果好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高電催化析氧性能以擴(kuò)大氧氣作為新能源的應(yīng)用范圍具有重要意義。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料，所述碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料包括碳化鉬和泡沫鎳；所述碳化鉬負(fù)載在泡沫鎳上。

上述的碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料，進(jìn)一步改進(jìn)的，所述碳化鉬/泡沫鎳復(fù)合材料中碳化鉬與泡沫鎳的質(zhì)量比為0.5％～2.0％。