[發明專利]一種高效析氧自支撐電催化劑的制備方法

有效

• 申請號: 202011248904.8
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112553650B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 耿東生;成伽潤
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C25B11/031
• 分類號: C25B11/031;C25B11/054;C25B11/061;C25B11/091;C25B1/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發明提供一種高效析氧自支撐電催化劑的制備方法，屬于催化劑領域。首先通過一步水熱法制備得到前驅體Cu@NF，該前驅體大大改善了泡沫鎳自身導電性差的問題，更加有利于電子的傳輸，然后通過水熱法進一步在Cu@NF表面原位生長了自支撐NiFe?LDH/Cu@NF納米陣列結構，此方法將催化活性物質直接生長于導電基底表面，避免了涂覆法所帶來的負面影響，保證了自支撐催化劑膜的完整性和機械強度，解決了動力學進程緩慢以及活性位點暴露低的問題，并將NiFe?LDH/Cu@NF納米陣列結構應用于電化學析氧反應，得到最優化的納米陣列催化活性，該制備方法具有設備簡單、易于實現控制、工藝重復性好、產品質量穩定等優點，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于催化領域，涉及一種銅負載于泡沫鎳基底表面，并在此前軀體上原位生長NiFe-LDH納米陣列結構的高效析氧自支撐電催化劑制備方法。

背景技術

隨著化石燃料的快速枯竭和日益嚴重的環境污染，開發綠色可再生新能源以應對這一形勢已迫在眉睫。氫能作為一種新能源，具有清潔、燃燒熱高、可存儲、廉價易得等優點，因此被公認為是最理想、最有潛力的替代化石燃料的能源之一。電化學水分解可以將電能轉化為氫能，實現清潔能源的可持續利用，效率主要由陰極析氫反應和陽極析氧反應決定，而陽極析氧反應動力學進程較為緩慢，過電位較高，從而引起耗能增加，因此需要高效的電催化劑，可以加快反應速率，降低過電位，并在一段時間內保持穩定。目前，以貴金屬為基底的化合物，如IrO₂和RuO₂，在堿性條件下具有良好的OER性能，但它們的稀缺性和高成本限制了其大規模應用，而過渡金屬擁有成本低且豐度高的優勢，有利于實現表面電化學改造和轉化，因此，開發高性能的基于過渡金屬元素、富含稀土元素的OER電催化劑具有重大意義。

泡沫鎳具有多孔結構,較大的比表面積,作為電極材料具有良好的吸附功能，因在堿性電解液中具有良好的催化活性和電化學穩定性而引起廣大關注，因此選用泡沫鎳作為基底材料，但由于其導電性較差的缺點，限制了其進一步應用，故而先在原位生長銅前驅體，大大改善了泡沫鎳表面的電子結構，同時增強導電性。隨后采用水熱法制備了生長于前驅體Cu@NF(NF:nickel foam)表面的NiFe-LDH(LDH:Layered double hydroxides)材料，此方法中的活性物質與導電基底直接接觸，既不需要將催化劑涂覆，也不需要使用有機粘合劑和導電添加劑，保證了自支撐催化劑膜的完整性和機械強度，該納米陣列結構可以顯著增大比表面積，有利于電子傳輸、電解質滲透以及離子擴散，從而減少納米粒子團聚，使活性位點充分暴露，提高反應進程的動力學，并通過調控制備參數來調控其形貌和結構，從而最優化其電化學性能。

發明內容

針對泡沫鎳導電性差的問題，本發明提出一種高效析氧自支撐電催化劑的制備方法。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

(1)基底泡沫鎳預處理：以泡沫鎳為基底，使用前首先在鹽酸中浸泡超聲除去表面的氧化層，再用丙酮、乙醇和去離子水(DI)依次清洗，自然晾干備用。

(2)前驅體Cu@NF的制備：稱取四水合氯化銅均勻分散于去離子水中，并轉移至反應釜中，超聲分散處理，隨后將步驟(1)處理后的泡沫鎳轉移至反應釜中，浸入液面以下，使之與反應液充分接觸，外殼封裝后，轉移至真空烘箱中，恒溫一定時長，自然冷卻到室溫。將表面生長了銅單質的前驅體從反應釜內襯中取出，用去離子水以及乙醇多次洗滌，隨后轉移至真空烘箱中烘干，得到生長于泡沫鎳表面的前驅體Cu@NF。

(3)制備具備納米陣列結構的電催化劑：稱取六水合硝酸鎳、九水合硝酸鐵、尿素以及氟化銨分散于去離子水中，轉移至反應釜中，超聲混合均勻，隨后將步驟(2)中的前驅體Cu@NF浸入液面以下，使之與反應液充分接觸，封裝外殼后，轉移至真空烘箱中，恒溫一定時長，自然降到室溫。將表面生長NiFe-LDH的前驅體Cu@NF從反應釜內襯中取出，用去離子水以及乙醇反復沖洗，轉移至真空烘箱中烘干，得到生長于Cu@NF表面的高效析氧自支撐具備納米陣列結構的電催化劑NiFe-LDH。