[發明專利]一種鈷釩基自支撐電極及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210060180.7
• 申請日: 2022-01-19
• 公開（公告）號: CN114318400B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 付宏剛;梁志堅;王蕾;沈迪
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: C25B11/054
• 分類號: C25B11/054;C25B11/091;C25B1/04;C25B11/061
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 王芳

本發明公開了一種鈷釩基自支撐電極及其制備方法和應用，屬于電解水制氫技術領域。本發明采用氯化鈷和偏釩酸銨分別作為鈷和釩的來源，通過一步水熱法在導電基底上合成了具有珊瑚狀納米陣列前驅體，并通過后續氮化處理得到CoN/VN@NF自支撐電極，避免了通過后涂工藝以及添加粘合劑和導電劑將催化劑附著在電極上的后續處理，簡化了電極制備工藝，降低了成本，并且基底材料為泡沫結構可以鉚合和分散催化劑，實現活性組分的高負載，從而提供豐富的催化位點。本發明得到的電極具有良好的析氫活性和穩定性，特別當電流密度增大時，其析氫活性越來越趨近于商業Pt/C，具有大規模生產的潛力。

技術領域

本發明涉及一種鈷釩基自支撐電極及其制備方法和應用，屬于電解水制氫技術領域。

背景技術

碳中和是指企業、團體或個人測算在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節能減排等形式，以抵消自身產生的二氧化碳排放量，實現二氧化碳“零排放”。要達到碳中和，一般有兩種方法：①是通過特殊的方式去除溫室氣體，例如碳補償；②是使用可再生能源，減少碳排放。

氫能作為一種清潔能源，具有能量密度高，不受地形限制，燃燒產物無污染等特點，被認為是有吸引力的下一代能源。由于地球上擁有豐富的水資源，所以通過電解水制氫是一項很有前景的制氫手段。現有析氫性能最好的仍然是鉑族貴金屬催化劑，但是過高的成本限制了其在工業上的應用。

發明內容

本發明為了解決現有上述技術問題，提供一種低成本、高效率、高穩定性的用于高效分解水的鈷釩基自支撐電極及其制備方法。

本發明的技術方案：

一種鈷釩基自支撐電極的制備方法，該方法為通過水熱法在導電基體上合成含有鈷和釩、具有珊瑚狀納米陣列的前驅體，然后通過氮化處理得到鈷釩基自支撐電極，簡稱CoN/VN@NF。

進一步限定，珊瑚狀納米陣列由納米片堆疊而成，納米片厚度為20～30nm。

進一步限定，導電基體為泡沫鎳。

進一步限定，該方法包括以下步驟：

(1)泡沫鎳的預處理：去除泡沫鎳的有機涂層和氧化層，超聲水洗至中性后烘干備用；

(2)合成珊瑚狀納米陣列前驅體：采用氯化鈷和偏釩酸銨分別作為鈷源和釩源，通過水熱法獲得珊瑚狀納米陣列前驅體；

(3)氮化處理：將步驟(2)得到的珊瑚狀納米陣列前驅體置于管式爐中，通入氮氣，并以2～5℃/min的速率升溫至500～700℃，保溫處理1～3h，然后以1～5℃/min的速率降溫至室溫，得到CoN/VN@NF。

進一步限定，步驟(1)的具體操作過程為：將泡沫鎳在丙酮溶劑中超聲處理10～30min，除去表面的有機涂層；然后在2mol/L的鹽酸溶液中超聲3～5min，除去氧化層；最后在去離子水中超聲洗滌直至pH為中性，并在40～60℃烘干備用。

進一步限定，步驟(2)的具體操作過程為：將氯化鈷和偏釩酸銨溶于50～100ml去離子水中，并用酸溶液調節pH至3～6，獲得反應溶液，然后將反應溶液轉移至聚四氟乙烯反應釜中，并將經過步驟(1)處理的泡沫鎳放入反應溶液中，在140～200℃下反應6～10h，反應結束后降至室溫，使用去離子水和無水乙醇依次分別沖洗3～5次，最后在40～60℃烘干，得到珊瑚狀納米陣列前驅體。

進一步限定，氯化鈷和偏釩酸銨的質量比為1：(2～4)。

進一步限定，酸溶液是摩爾濃度為1～3mol/L的硝酸溶液、硫酸溶液或鹽酸溶液。

進一步限定，步驟(3)中氮氣流速為20～50mL/min。

上述方法制備的鈷釩基自支撐電極用于高效分解水。

本發明有益效果：