[發明專利]一種基于泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的析氫析氧雙功能催化電極及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210613461.0
• 申請日: 2022-06-01
• 公開（公告）號: CN115198307A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 張小華;陳金華;唐杰;杜翠翠
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: C25B11/095
• 分類號: C25B11/095;C25B11/061;C25B11/031;C25B1/04
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本發明提供了一種基于泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的析氫析氧雙功能催化電極及其制備方法和應用，雙功能催化電極制備方法包括以下步驟：1)將泡沫鎳進行預處理作為自支撐基體；2)預處理后的泡沫鎳在含有有機苯硼酸的電解液中電聚合，載體表面形成有機苯硼酸聚合物膜；3)將電沉積有機苯硼酸聚合物膜的泡沫鎳浸在金屬鹽前驅體溶液中，通過吸附自組裝形成泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽作為析氫析氧雙功能催化電極。本發明所述的通過吸附自組裝形成泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的制備方法適用于硼酸釕、硼酸鐵、硼酸鈷和硼酸鎳等多種金屬過渡金屬苯硼酸鹽聚合物的自支撐體系，相應的電極在堿性條件下具有優異的析氫析氧雙功能電催化性能和穩定性。本發明提供的基于泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的析氫析氧雙功能催化電極具有制備方法簡單便捷、成本低廉、適應于大批量制備及性能優異等優點，在大規模工業水電解中有著廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及電催化電極制備及應用領域，特別涉及泡沫鎳自支撐的析氫析氧雙功能催化電極的制備以及該電極在電解水析氫析氧上的應用，屬于電催化領域。

背景技術

電解水制氫被認為是解決環境問題和能源危機的一種很有前途的方法。水電解是陰極析氫反應(HER)和陽極析氧反應(OER)兩個半反應的組合。但這些反應在熱力學上并不能自發進行，引發水電解所需的理論電勢為1.23V。但由于能量轉換過程中的能量損失，需要提供比理論值更多的額外電勢。為了適應工業水電解降低水電解過程中過電位和能量損耗的要求，要求電催化電極具有高催化活性、高導電性、高穩定性等特點，同時有利于析氫、析氧過程的傳質及無擾動氣體釋放等。

目前，應用于工業水電解的電催化電極主要是負載鉑、釕/銥及其氧化物等最先進的材料作為析氫或析氧的高效電催化劑。但是，由于它們的地球儲量不足、昂貴、大電流密度的高過電位以及缺乏穩定性，這些珍貴材料的大規模工業應用存在局限性。近年來人們大力開發各種高效析氫析氧電催化劑以替代現有的貴金屬催化劑。然而，大多數已報道的催化劑只能單方面對HER或OER表現出一定的催化活性和穩定性，這使得工業集成電解槽的結構復雜。為了簡化電解槽并降低工業應用的總體成本，開發既能催化HER過程又能催化OER過程的雙功能電催化電極仍然是推進大規模工業水電解制氫并促進氫經濟飛速發展的關鍵。

最近，一些研究表明，過渡金屬硼酸鹽(TM-Bi)對HER和OER都具有一定的催化活性。

基于上述，本申請發明人發明一種制備方法簡便但同時高效催化析氫反應和析氧反應的電催化電極，能夠用于工業水電解。

發明內容

本發明提供一種基于泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的析氫析氧雙功能催化電極及其制備與應用，該雙功能催化電極制備方法簡單便捷、成本低廉、適應于大批量制備，具有優異的析氫和析氧電催化性能，在大規模工業水電解中有著廣闊的應用前景。本發明主要采用如下技術方案實現：

一種基于泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的析氫析氧雙功能催化電極的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

1)泡沫鎳的預處理：首先，將泡沫鎳分別在丙酮溶液、乙醇和去離子水中超聲清洗15 分鐘，將所得泡沫鎳收集備用。

2)電沉積有機苯硼酸聚合物膜：將有機苯硼酸化合物溶解在水溶液中，充分攪拌形成有機苯硼酸的均勻水溶液，作為電聚合的電解液。以處理后的泡沫鎳分別作為工作電極和為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。采用電化學方法在泡沫鎳電極上原位電沉積有機苯硼酸聚合物膜PAB/NF。電沉積后，取出泡沫鎳用水沖洗干凈，真空干燥待用。

3)析氫析氧雙功能催化電極制備：將電沉積了有機苯硼酸聚合物膜的泡沫鎳裁剪適當尺寸后浸在0.01％～0.05％的金屬鹽前驅體水溶液中，室溫下靜置6-24h進行吸附自組裝，取出泡沫鎳反復用去離子水沖洗，經干燥得到基于泡沫鎳自支撐聚合苯硼酸鹽的析氫析氧雙功能催化電極PABM/NF(M為Ru、Fe、Co或Ni)。優選的，所述步驟2)中，有機苯硼酸化合物為4-氨基苯硼酸或3-氨基苯硼酸。