[發明專利]一種高活性自支撐OER電催化劑材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110228794.7
• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN113019398B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 樊唯鎦;陳宗亮;周潔;焦嬌嬌
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B01J27/043
• 分類號: B01J27/043;B01J35/04;C25B1/04;C25B11/04;C25B11/03
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王素平

本發明提供了一種高活性自支撐OER電催化劑材料及其制備方法與應用。所述電催化劑材料包括泡沫鎳基體以及在泡沫鎳基體上原位生長的具有異質結構的NiFe₂O₄/Ni₃S₄/Ni(OH)₂材料。本發明還提供了上述電催化劑材料的制備方法，包括步驟：將預處理后的泡沫鎳置于鐵源水溶液中，進行水熱反應；反應完成后，經洗滌、干燥得到NiFe₂O₄/Ni(OH)₂/NF復合材料；將所得NiFe₂O₄/Ni(OH)₂/NF材料置于硫源水溶液中，進行硫化反應；反應完成后，經洗滌、干燥即得。本發明為NF三維骨架上原位生長NiFe₂O₄/Ni₃S₄/Ni(OH)₂的異質結構，具有優異的電催化性能。

技術領域

本發明涉及一種高活性自支撐OER電催化劑材料及其制備方法與應用，屬于電催化材料領域。

背景技術

當今社會，由于煤、炭等化石燃料的過度燃燒，導致嚴重的能源危機與環境污染。大量污染物的排放，不僅造成生態環境的嚴重破壞，還危及人類的生存發展。因此，開發和利用清潔的可再生能源逐步取代化石燃料，成為未來能源發展的主要趨勢。氫能憑借其能量密度高，燃燒熱值大，產物無污染等眾多優勢，成為一種理想的清潔能源。相比較其他的產氫方式(如焦爐氣制氫、甲烷重整制氫等)，電催化裂解水產氫更加高效，且產物不會產生二次污染，故而受到研究者的廣泛關注。然而，析氧反應(OER)作為電解水過程中發生在陽極的半反應，由于反應過程中涉及多個中間態的轉化及多個電子的轉移，導致反應過程十分緩慢，相較于陰極的析氫反應(HER)，需要更高的過電位驅動催化過程的發生，因此，合成一種高效的OER電催化劑來降低電解水所需要的過電位，對于實際的電催化裂解水意義重大。

目前，貴金屬Ir和Ru的氧化物憑借其優異的催化活性，仍然是主要的OER電催化劑。但是由于貴金屬儲量有限、價格昂貴、穩定性相對較差等不足，限制了其大規模的工業生產。因此，制備一種兼具活性和穩定性的非貴金屬基OER催化劑是提高電解水效率的關鍵所在。過渡金屬層狀氫氧化物作為一種典型的非貴金屬基催化劑材料，具有合成工藝簡單、價格低廉、催化活性高等眾多優勢，是一種理想的電催化劑材料。例如：中國專利文件CN112023946A提供了一種自支撐鎳鐵層狀雙氫氧化物硫化物電催化劑的制備方法，該制備方法包括如下步驟：對原始泡沫鎳進行預處理得到凈化泡沫鎳；按照預設比例將六水合硝酸鎳、九水合硝酸鐵和尿素溶于去離子水中得到混合液；將泡沫鎳加入混合液中進行一次水熱反應，得到NiFe LDH/NF；將NiFe LDH/NF置于硫代乙酰胺溶液中進行二次水熱反應得到NiFe LDH-Sx/NF；其中，x＝1至8中的任意數字。但是上述材料的催化活性較低，還需要進一步的提高。

目前，過渡金屬層狀氫氧化物由于其層狀結構的堆疊導致活性位點不能充分暴露，加之固有較差的導電性，限制了其在電催化中的應用。雖然有了不少相應的研究對其進行不斷優化，但是利用簡單，經濟的方式制備高活性過渡金屬基層狀OER電催化劑仍有待進一步探索。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種高活性自支撐OER電催化劑材料及其制備方法與應用。本發明以泡沫鎳為基體材料，通過低溫水熱反應以及后續硫化處理，原位制備高活性的自支撐OER電催化劑，所得OER電催化劑可在極低的過電位下驅動析氧反應的發生。

本發明的技術方案如下：