[發明專利]一種自支撐碳基TiO2

有效

• 申請號: 202110488129.1
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113293401B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 高明明;梁琛;王新華;王允坤
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C25B11/047
• 分類號: C25B11/047
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 劉娜

本發明公開了一種自支撐碳基TiO₂電催化材料的制備方法及應用，該制備方法包括如下步驟：將膨脹石墨粉末超聲清洗、真空干燥；稱取膨脹石墨粉末，與鈦酸四丁酯、無水乙醇進行混合，得到混合溶液A；將無水乙醇、去離子水、濃硝酸按一定體積比例混合，得到混合溶液B；將混合溶液B逐滴加入混合溶液A中，使兩者充分混合均勻，然后將其在20?40℃下靜置一段時間，直至形成凝膠狀物質；將形成的凝膠狀物質置于烘箱中干燥，得到黑灰色顆粒；將其研磨成粉末，煅燒，最終得到TiO₂/EG催化劑粉末。本發明采用溶膠凝膠法制備電極材料，過程較為簡單，且制備過程沒有苛刻的條件要求，工藝簡單，避免了由于導電劑與粘合劑的加入堵塞電極的空隙，提高了材料的利用率。

技術領域

本發明涉及一種電催化技術領域，特別涉及一種自支撐碳基TiO₂電催化材料的制備方法及應用。

背景技術

隨著電催化領域的深入研究及進步，許多研究者已經開發了高活性和高穩定性的催化劑以提高電催化反應的效率，而目前現有的催化劑多為粉末狀，這種電極的構建需要聚合物粘合劑等添加劑的幫助，還需要依托載體，限制了催化劑的形貌和結構，不僅減少了材料表面的電化學活性位點，限制了傳質，也不利于催化劑的回收利用。因此，直接生長在導電基底上或者形成膜的自支撐電催化材料引起了研究者們的廣泛關注。

自支撐電極材料是一種將活性組分以共價鍵或吸附的形式結合在能導電的基底電極或集流體上的材料，可達到既能傳遞電子又能活化底物的雙重目的。自支撐電極的制備方法也有很多，如溶劑熱法、水熱法、氣相沉積法、退火法以及多種方法相結合的方法，以制備自支撐電極達到研究目的。中國專利CN112391646A公開了一種溶劑熱法制備β-Ni(OH)-2電極的方法，以泡沫鎳片為基底，以氯化釩和尿素的乙醇溶液為釩源，以十六烷基三甲基溴化銨為形貌調控劑，使Ni(OH)-2垂直排列在泡沫鎳片基。中國專利CN109036875A公開了了Zn摻雜Ni-MOF自支撐復合電極及其制備方法和應用，采用氣相沉積和溶劑熱法制備得到NF/GF/Zn@Ni@MOF自支撐復合電極。以上制備方法操作復雜，成本較高，需要的反應條件苛刻，不適用于大面積投產使用。

碳元素作為一種非金屬元素，在自然界中廣泛存在。碳材料的性能穩定、結構多樣原料廣泛等優點被廣泛地應用于能源、環境和催化領域，碳材料可以被制成紙、布、膜、氈、泡沫等各種形式的自支撐結構，是構建自支撐電極材料的良好基底。中國專利CN107993849A公開了一種碳纖維負載鈷酸鎳納米陣列的柔性電極材料及其制備方法，以碳纖維作為基底，首先使用水熱法在碳纖維表面沉積一層碳，提高柔性碳纖維片的強度和活性。再通過簡單的水熱法在柔性電極表面生長鈷酸鎳前驅體納米陣列，經過熱處理得到碳纖維負載鈷酸鎳納米陣列的柔性電極材料。這種電極材料與導電劑、粘合劑以及溶劑混勻后涂覆與集流體上干燥后壓片的方法，不僅制備過程繁瑣，且導電劑與粘合劑的加入會增加整個電極的質量，粘合劑的引入也會堵塞電極的空隙，降低材料的利用率，增大它的內阻。

膨脹石墨(EG)作為一種新型功能性碳材料，是一種具有大量多孔的手風琴狀結構的物質，膨脹石墨成本低廉，除了具備天然鱗片石墨本身的耐高溫、耐腐蝕等優良性能以外，還具有天然鱗片石墨所沒有的柔軟、壓縮回彈性、吸附性和可塑性，經過一定壓力可以成為柔軟的石墨紙，為自支撐催化材料的建立提供了依據。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種自支撐碳基TiO₂電催化材料的制備方法及應用，利用膨脹石墨疏松多孔，層間間距較大的特點，將其與TiO₂結合，應用于電催化氧還原(ORR)反應中，TiO₂與膨脹石墨復合可以在電催化中使O₂連續催化為·OH，TiO₂會為O₂提供穩定的吸附位點，從而提高ORR的反應效率。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種自支撐碳基TiO₂電催化材料的制備方法，包括如下步驟：