[發(fā)明專利]自支撐鎳-氧化鐿復(fù)合電極及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011323346.7
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN113774420B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫洪明;姚碧岑;李程鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 天津師范大學(xué)
• 主分類號: C25B11/065
• 分類號: C25B11/065;C25B11/091;C25B1/04;C25D9/04;C01F17/10;C01F17/229;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 天津創(chuàng)智睿誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12251
• 代理人: 王融生

本發(fā)明公開了一種自支撐鎳?氧化鐿復(fù)合電極及其制備方法和應(yīng)用，自支撐鎳?氧化鐿復(fù)合電極，包括：導(dǎo)電基底以及原位負(fù)載在導(dǎo)電基底上的鎳?氧化鐿，所述鎳?氧化鐿為鎳納米顆粒和氧化鐿納米顆粒緊密接觸而成，本發(fā)明的自支撐鎳?氧化鐿復(fù)合電極為自支撐電極，與傳統(tǒng)物理涂覆的電極相比，電催化劑原位負(fù)載可以使催化劑和導(dǎo)電基底之間無縫接觸，有利于導(dǎo)電基底和電催化劑之間的電子傳輸，增強電催化劑和導(dǎo)電基底之間的粘合力，并可增加催化活性位點的暴露，有利于電極氣液固三相界面接觸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氫析出電催化劑技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種自支撐鎳-氧化鐿復(fù)合電極及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

化石能源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化、極端氣候頻發(fā)等問題促使可再生能源被高度重視和大力開發(fā)，而可再生能源自身間歇性、波動性等特點造成了大量“棄水、棄風(fēng)、棄光”，解決該問題有效的方法是將可再生能源發(fā)的電通過電解水轉(zhuǎn)化氫氣儲存起來，再加以利用。電解水涉及氫析出反應(yīng)(HER)和氧析出反應(yīng)(OER),遲緩的動力學(xué)使其都需要催化劑。根據(jù)電解質(zhì)的不同，電解水技術(shù)主要分為堿性電解水技術(shù)和質(zhì)子交換膜酸性電解水技術(shù)，由于酸性條件下缺少穩(wěn)定的非貴金屬OER催化劑而不得不使用大量Ru/Ir基催化劑，但貴金屬的高成本和稀缺性限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此堿性電解水引起了廣泛關(guān)注，但在堿性條件下HER涉及到水分子的分解(Volmer步驟)表現(xiàn)出了比酸性條件下低二到三個數(shù)量級的反應(yīng)動力學(xué)。因此，開發(fā)堿性條件下高效穩(wěn)定的非貴金屬HER催化劑是大規(guī)模應(yīng)用電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵。

目前，堿性條件下的非貴金屬HER催化劑已經(jīng)被大量開發(fā)，包括過渡金屬磷化物、硫化物、合金和氮化物等。鎳基催化劑由于具有較高的活性、穩(wěn)定性和導(dǎo)電性引起了廣泛的關(guān)注，并已有鎳基催化劑被用作堿性工業(yè)電解水HER催化劑，例如Raney鎳、Ni-S合金和Ni-Mo合金等(M.Gong,D.-Y.Wang,C.-C.Chen,B.-J.Hwang,H.Dai,Nano Res.,2016,9,28-46)，但鎳基HER催化劑的催化活性和穩(wěn)定性依然低于貴金屬催化劑，仍有較大提升空間。為提高堿性條件下的HER催化劑的催化性能，在其催化活性位點附近引入促進(jìn)水分解(HER中的Volmer步驟)的催化活性位點(第一過渡系金屬氧化物或者氫氧化物)是有效的策略之一，例如：Ni/NiO,Ni/Ni-Cr₂O₃、Mo-NiO/Ni、NiMo/Ni(OH)₂和Ni/V₂O₃等復(fù)合催化劑均采用了此策略(L.Zhao,Y.Zhang,Z.L.Zhao,Q.-H.Zhang,L.-B.Huang,L.Gu,G.Lu,J.-S.Hu,L.-J.Wan,Natl Sci Rev,2020,7,27-36；M.Gong,W.Zhou,M.J.Kenney,R.Kapusta,S.Cowley,Y.P.Wu,B.Lu,M.-C.Lin,D.-Y.Wang,J.Yang,B.-J.Hwang,H.J.Dai,Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,11989-11993；J.Z.Huang,J.C.Han,T.Wu,K.Feng,T.Yao,X.J.Wang,S.W.Liu,J.Zhong,Z.H.Zhang,Y.M.Zhang,B.Song,ACS Energy Lett.,2019,4,3002-3010；C.Y.Li,J.K.Wang,Y.J.Wang,J.X.Li,Z.P.Yao,Z.H.Jiang,ChemistrySelect,2020,5,6774-6779；Y.Chen,Y.Rao,R.Z.Wang,Y.N.Yu,Q.L.Li,S.J.Bao,M.W.Xu,Q.Yue,Y.N.Zhang,Y.J.Kang,NanoRes.,2020,13,2407-2412)。但由于第一過渡系金屬氧化物或者氫氧化物在析氫電位下容易被還原成金屬或者更低價態(tài)化合物，使其失去促進(jìn)水分解的作用，大大降低了催化劑的穩(wěn)定性。氧化鐿(Yb₂O₃)因具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性和較強的水分解能力，是一種潛在的堿性HER催化劑“促進(jìn)劑”，但還沒有被用來與析氫催化劑相結(jié)來促進(jìn)其堿性條件下的析氫催化性能。另外，傳統(tǒng)的催化劑的都是納米粉體狀，需要粘結(jié)劑將其涂覆在導(dǎo)電基底上，不僅增加了電極制備成本而且這種物理黏附的催化劑在導(dǎo)電基底上不穩(wěn)定，在大電流密度下容易脫落，不能滿足工業(yè)電解水的要求。