[發明專利]一種氧化鎳/不銹鋼網一體化電極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110546631.3
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113337843A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 梁瑾;劉斌;孔杰;趙建國;李向軍;沈海琪
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;嘉峪關江源化工有限公司
• 主分類號: C25B11/031
• 分類號: C25B11/031;C25B11/052;C25B11/061;C25B11/077;C25B1/04
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 崔瑞迎

本發明涉及電極材料技術領域，具體來說是一種氧化鎳/不銹鋼網一體化電極材料及其制備方法和應用，本發明先制得了Ni(OH)₂/鋼網一體化電極，又經過氧化，制得NiO/鋼網電極，并采用NiO/鋼網電極在制備電解水催化劑中進行應用。本發明針對電解水過程存在高反應位壘，動力學過程緩慢等問題，本申請設計合成了具有良好導電性和豐富活性位點的一體化自支撐過渡金屬基催化劑電極，并對材料的結構、性能及深層機理進行探究。

技術領域

本發明涉及電極材料技術領域，特別涉及一種氧化鎳/不銹鋼網一體化電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著全球經濟一體化的逐步擴大，我國社會進入穩定的中高速發展階段，人民生活水平不斷提高的同時環境問題也在不斷加劇。因此在化石燃料總量驟減、傳統能源不可再生以及環境污染日益嚴重等問題上，積極探索開發具有清潔型且可持續再生特點的新能源替代傳統的化石能源，滿足社會需求，是人們關注并亟待解決的問題。利用能量轉換進行新能源的開發是一種積極有效的清潔能源探索新路徑，其中將化學能轉化為電能，或者將電能儲存在化學鍵中的方法具有較高的經濟效益，電解水過程則是其中有效轉換形式之一。

電解水是一種大家所熟知的能量轉換形式，其反應過程主要是利用外加電場的作用，兩個電極發生反應，陽極處生成氧氣，陰極處生成氫氣；其中氫氣的熱值是142.9MJ Kg^-1，是所有已知燃料中質量能量密度最高但二氧化碳排放量最低的一種理想的能源載體；而氧氣作為生物體的必需物質，對人類社會也至關重要。因此，電解水過程具有高效、清潔、環境友好且可再生等特點，被認為是未來最具有可發展性的儲能技術之一。

鎳元素由于具有較高的化學穩定性以及相對較低的價格，被廣泛用于催化反應過程中。在OER催化反應中，鎳系催化劑通過摻雜地球上一些儲量豐富的元素如鐵、鈷、錳、鋅等可大大增強其催化活性。Zhou等為了更好地理解由于鐵、鋅摻雜所引起的催化活動，其通過計算作為OER催化劑Ni_yM(OH)_x(M＝Fe和 Zn)上的氧結合能進而測量OER活性，其基于Ni₂M(OH)₆模型對氫氧根團簇進行了模擬，發現氫氧根團簇的氧結合能按照以下順序依次增大：Ni₂Zn(OH)₆ Ni₃(OH)₆Ni₂Fe(OH)₆，但是無定型氫氧化物的反應活性則是按照相反的順序變化。此外，還有一些針對鐵元素在氫氧化物中對OER影響的相關報道，Trotochaud 等認為NiFe材料的電導率增加是由于Fe的存在在Ni上誘導了部分電荷，而不是由于電催化活性。也有報道稱，在OER活性中，過渡金屬的活性順序為FeCo Ni，其主要是與M-OH鍵的結合強度有關，Chen等報道稱，在電解水過程中， NiFe氫氧化物中Fe⁴⁺的存在對于催化活性不負責，但它對增強OER活性具有關鍵作用。Dong等使用DFT+U計算，研究了Ni/Fe LDH上按照2:1比例的時OER 機制，他們發現第一步反應發生在去質子的層級上，質子與OH^-反應生成水分子，正位構型的Ni₂Fe材料顯示出較好的OER活性，因為它具有最低的質子去除能。