[發明專利]氧化錳薄膜包覆類水滑石納米片海水氧化電催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 202211054430.2
• 申請日: 2022-08-31
• 公開（公告）號: CN115418667A
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 詹天榮;王澤錕;溫永紅;葉琳;王超;王曉雨;張晳;楊媛媛
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種氧化錳薄膜包覆類水滑石納米片海水氧化電催化劑及其制備方法。本發明通過水熱和電沉積，將超薄MnO_x膜覆蓋的NiFe?LDH納米片陣列直接組裝在泡沫鎳上，記為MnO_x/NiFe?LDH/NF。該催化劑在堿性海水電解質中表現出優異的選擇性OER活性。在堿性海水電解液中，MnO_x/NiFe?LDH/NF的析氧性能與耐氯腐蝕性能明顯優于NiFe?LDH/NF。良好的OER選擇性和催化性能歸因于以及MnO_x薄膜層選擇性阻止Cl^?接近催化中心和電沉積MnO_x層產生的氧空位、良好的導電性、快速的動力學和豐富的活性位點。MnO_x薄膜層還能有效抑制Cl^?對進入催化劑并防止催化劑泄漏，提高了催化劑的耐腐蝕性和穩定性。

技術領域：

本發明屬于新能源材料技術以及電化學催化領域，具體涉及一種海水氧化電催化劑氧化錳薄膜包覆的鎳鐵類水滑石納米片；還涉及所述催化劑的制備方法及其在堿性海水氧化過程中的電催化應用。

背景技術：

電化學水分解已被公認為最有潛力的低碳技術，它在產生高熱量氫氣的同時還能夠協同利用風能、太陽能等可再生能源的間歇能量。淡水在世界許多地區是一種“稀有資源”，因此，在實驗室和擴大生產中使用淡水電解水是一個嚴重問題，這對于實際的電解槽來說也是一個巨大的挑戰。作為無限資源的海水約占全球總供水量的96.5％，在不依賴稀缺淡水資源的情況下，海水是低成本和大規模電解水的理想選擇。與電解水類似，電解海水涉及兩個半反應，即析氫反應(HER) 發生在陰極，析氧反應(OER)發生于陽極；不同的是，競爭性析氯反應(CER) 發生在陽極上。在堿性環境中(pH≈7.5)，生成次氯酸根離子的起始電位較OER 約高出490mV，即次氯酸根的形成在較大程度上影響著OER的過程。同時，形成的腐蝕性次氯酸鹽可能導致陽極腐蝕和環境污染，從而降低電解的可持續性和效率。因此，我們需要開發一種具有選擇性的較高OER活性的催化材料，使得其在OER反應過程中能夠避免氯的腐蝕，使材料能夠高效地進行OER過程。

在堿性OER催化劑中，層狀雙氫氧化物(LDH)由于其獨特的層狀結構和可調組成的特點而具有較高的OER活性，是目前最有前景的電解水催化劑之一, 其中NiFe-LDH幾乎被證明是最高效的OER催化劑，甚至被用作電解堿性水中的基準。然而單純NiFe-LDH作為OER催化劑存在導電性差、易聚集、活性位點暴露不充分和耐Cl^－腐蝕性能差等缺點。錳氧化物(MnO_x)具有優先的OER 活性，可通過包埋催化劑界面大幅降低Cl^－在催化劑附近的濃度，起到抑制CER 并提高OER選擇性的效果。MnO_x層能選擇性阻止Cl^-的滲透，但允許H₂O和 O₂分子通過，從而提高其OER選擇性。在堿性海水氧化過程中，MnO_x薄膜層還能在保護催化劑免受腐蝕的情況下，還能防止催化劑泄漏，從而提高其在堿性海水中OER的穩定性。

本發明首先通過水熱法在泡沫鎳上原位合成NiFe-LDH納米片陣列，然后在其表面電沉積MnO_x薄膜，將催化劑直接組裝到導電(泡沫鎳)NF襯底上，從而提高其導電性、傳質速率和穩定性。NiFe-LDH納米片與MnO_x層間的協同作用和強的電子相互作用促進了電子轉移，MnO_x使得催化劑表面產生了更多的氧空位，利于提高催化劑的本征催化活性；同時，MnO_x薄膜層可以選擇性地抑制氯離子的遷移，提高了催化劑的抗氯離子腐蝕能力，從而提高OER選擇性；MnO_x薄膜層還能防止催化劑泄漏，從而提高其在堿性海水中OER的穩定性。因此，MnO_x/NiFe-LDH/NF電極在堿性模擬海水和堿性天然海水電解質中均顯示出優異的OER催化性能。該發明對開發用于堿性海水氧化的過渡金屬OER催化劑具有重要理論意義和潛在的應用價值。

發明內容：