[發明專利]一種多級孔結構的整體式電極及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202010632087.X
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN113881947A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 鄧德會;鄭智龍;胡景庭
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/032;C25B11/052;C25B11/075;C25B11/091;C25B11/061;B01J27/051;B01J35/10;B01J37/18
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 張玉瑩;毛薇

本發明公開了一種多級孔結構的整體式電極及其制備方法與應用，具體地說，該方法通過以金屬泡沫鎳為導電載體，采用雙模板法在其表面構建具有多級孔結構的過渡金屬硫族化合物(TMDs)納米片材料，其中TMDs納米片與泡沫鎳載體以化學鍵合的形式結合，結合牢固，具有較強穩定性，并且該催化劑所用元素均為非貴金屬元素。該催化劑可應用于堿性電解水析氫反應，具有較高的催化活性，并且該催化劑在大電流情況下可以保證長時間的高活性，具有良好的穩定性。本發明所涉及的整體式電極的制備方法是一種制備高效的電解水析氫材料的普適方法，易于操作，且適用的范圍廣泛，可用于其他材料的整體式電極的制備，具有較高的商業應用價值。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，具體涉及一種多級孔結構的整體式電極及其制備方法與應用。

背景技術

氫氣作為一種重要的原料，在化工生產、冶金、電子及超導等領域有著廣泛的應用。同時，氫氣也可作為一種綠色潔凈的燃料直接用于燃料電池和航天燃料推進劑中。目前，氫氣主要基于煤、生物質或有機廢棄物的氣化，或天然氣的蒸汽重整過程來制取。這些傳統的制氫過程不僅消耗了大量的化石能源并造成環境污染，而且所獲得的氫氣純度較低，需要進一步的分離純化才能應用。電解水析氫是一個無碳參與的、低能耗的產氫過程，被認為是未來最有前途的制氫技術之一。目前，電解水析氫反應(HER)所使用的催化劑主要為貴金屬鉑基催化劑，但是由于貴金屬儲量稀少和價格昂貴等原因，一直很難得到大規模的商業應用。因此尋找一種廉價且高效的非貴金屬催化劑去代替昂貴的貴金屬催化劑是目前該領域研究的重點之一。除此之外，目前對于HER催化劑的研究多在小電流情況下進行，而在大規模商用電解水情況下，電流密度大多在1000mA cm^-2以上。因此，設計合成一種可以承受大電流，并且性能優異的非貴金屬催化劑是迫切需要的。

過渡金屬硫族化合物(TMDs)由于自身獨特的電子和結構特性，受到了人們的廣泛關注，尤其在電解水析氫領域，已經引起了國內外研究者深入研究的興趣。然而，目前TMDs雖然具有較高的HER活性，但是研究的催化劑多為粉末狀，其HER活性研究也多在小電流的情況下進行，因此將如何將粉末狀催化劑轉化為整體式催化劑從而研究其在大電流密度下的活性成為了未來研究的重點。并且，由于HER反應是一個多相(液-固-氣)界面參與的反應，要求催化劑具備很好的電子和質子傳輸能力，以及氣體擴散能力，尤其在大電流情況下，更加需要催化劑擁有良好的導電性和較大比表面積來滿足反應的持續進行。構建多孔結構已經被證明是改變材料表面物理化學屬性的有效方法之一，被廣泛應用于催化劑的結構優化。但是目前所構建的多孔結構多為單級孔，具有一定的局限性，如大孔材料活性位點不足，微孔材料傳質擴散能力有限等。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種多級孔結構的整體式電極及其制備方法。該方法通過以金屬泡沫鎳為導電載體，采用雙模板法在其表面構建具有多級孔結構的TMDs納米片材料，其中TMDs納米片與泡沫鎳載體以化學鍵合的形式牢固結合，具有較強穩定性。該催化劑可應用于堿性電解水析氫反應，具有較高的催化活性，并且該催化劑在大電流情況下可以保證長時間的高活性，具有良好的穩定性。該方法易于操作，且適用的范圍廣泛，可用于其他材料的整體電極制備。

本發明的技術方案如下：

本發明一方面提供一種整體式電極，所述整體式電極包括導電載體和TMDs納米片材料；所述TMDs納米片材料為多級孔結構；所述孔道由TMDs納米片聚集構建形成；所述TMDs納米片材料以自支撐形式生長于所述導電載體表面；所述TMDs納米片與所述導電載體以化學鍵合的形式結合，具有較強穩定性和導電性。

所述整體式電極為在導電載體上以自支撐形式生長的整體式材料，無需添加粘合劑。

基于以上技術方案，優選的，所述導電載體為金屬泡沫鎳。