一种水分解反应用催化电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水分解反应用催化电极及其制备方法，该催化电极是Co

Water decomposition reverse application catalytic electrode and preparation method thereof

The invention discloses a water decomposition reverse application catalytic electrode and a preparation method thereof. The catalytic electrode is Co

【技术实现步骤摘要】
一种水分解反应用催化电极及其制备方法
本专利技术属于电极制备领域，具体涉及水分解反应用催化电极及其制备方法，该电极可直接作为双功能催化剂用于电化学整体水分解反应。
技术介绍
人类在追求更高、更快、更强的发展道路上遇到了关于生态、环境和能源等诸多问题，随着使用量最大的化石能源的日益枯竭，要保持经济的可持续发展，维持生态平衡，就必须彻底解决能源问题，寻找可再生与清洁能源。由水分解直接得到氢气和氧气是最具价值的清洁能源获取方式之一，这种方式无污染、可循环再生，获得的氢气产物作为清洁能源使用，具有很高的储能密度。水的分解方式通常有电解法和光解法，其中，电解法是通过在电解池的电极上施加一定电压，在阳极上析出氧气，在阴极上析出氢气，总反应式(1)和两个半反应(2)、(3)如下：2H2O+电能→2H2+O2(1)2H++2e-→H2(g)(2)2H2O(l)+电能→4H++O2(g)+4e-(3)因此，外加电压大小和产生气体的速率是利用该方法分解水的重要指标。由于水分解的吉布斯自由能约为+237kJ/mol，该反应不能自发进行，需要输入能量才能激发其正向进行。为了降低能源成本(即降低输入能量)，提高水分解反应速率，通常使用催化剂。目前应用的高效水分解催化剂多为铂族贵金属，如Pt、Ru、Rh、RuO2、IrO2等，然而，贵金属资源的高成本和稀缺性限制了其在实际生产中的大规模应用。因此，开发不含贵金属的廉价催化剂具有更大的实用价值。研究发现基于过渡金属Co、Ni、Fe等的催化剂具有良好的催化水分解性能，其中以含钴催化剂的研究更为广泛。钴的复合物作为水氧化反应(半反应3)的催化剂早在20世纪70年代就已有报道，具体报道了CoII盐对水氧化反应的催化能力。.随后钴的多金属氧酸盐、Co3O4等含钴催化剂相继被合成及报道。但是，通常制备的含钴催化剂是以粉末形式存在，使用时需要通过粘合剂或载体将其固载到电极基体表面才能在电解水体系中使用，且大部分钴复合物仅在水氧化半反应中起到良好的催化作用，不能同时催化半反应(2)和(3)同时发生。文献1.HaotianWang,Hyun-WookLee,YongDeng,ZhiyiLu,Po-ChunHsu,YayuanLiu,DingchangLin,andYiCui.Bifunctionalnon-noblemetaloxidenanoparticleelectrocatalyststhroughlithium-inducedconversionforoverallwatersplitting.Nat.Commun.,2015,6,7261.采用静电纺丝技术制备前驱体碳化钴基双功能催化剂，需15kV高压，且产品为粉末状。在进行催化评价时，需要使用萘酚等粘合剂涂覆在玻碳电极上，造成粉末样品不能在电极表面很好的分散，催化活性位点不能充分与电解质接触等问题，严重影响催化性能。文献2.HaiyanJin,JingWang,DiefengSu,ZhongzheWei,ZhenfengPang,andYongWang.InsituCobalt-CobaltOxide/N-DopedCarbonHybridsAsSuperiorBifunctionalElectrocatalystsforHydrogenandOxygenEvolution.J.Am.Chem.Soc.,2015,137,2688-2694.，采用原位碳化的方法制备氮掺杂的钴基双功能催化剂，但制备过程需多次高温碳化，操作复杂繁琐，且催化剂产物仍为粉末状。文献3.XingyueLi,ZhiguoNiu,JingJiang,andLunhongAi.CobaltNanoparticlesEmbeddedinPorousN-richCarbonasanEfficientBifunctionalElectrocatalystforWaterSplitting.J.Mater.Chem.A,2016,4,3204-3209，是通过以金属有机骨架化合物为前驱体制备了富氮的双功能催化剂，但产氢的过电位较高。文献4.LongJiao,YuxiaoZhou,andHailongJiang.Metal–organicFramework-basedCoP/reducedGrapheneOxide:High-PerformanceBifunctionalElectrocatalystforOverallWaterSplitting.Chem.Sci.,2016,7,1690-1695中，介绍了通过热解和随后的磷化过程制备了钴基的双功能催化剂，缺点是热解温度过高，且需多个热解过程。因此，传统钴基双功能催化剂存在的主要问题有：催化剂以粉末状态存在，易聚集，催化活性位点不能充分接触电解质溶液，导致催化性能下降；催化剂使用时需通过粘合剂与电极结合，使用不便，且催化过程中易脱落。因此，直接在电极基体上设计生长催化剂，能够有效暴露催化活性位、同时增强催化剂结构稳定性及重复使用性能，对于在实际环境中的应用具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水分解反应用催化电极及其制备方法，该电极可作为双功能催化剂直接用于电化学整体水分解反应。本专利技术提供的水分解反应用催化电极，是CoaZnbC3NO微粒生长于金属基底上，其中a和b分别表示Co原子和Zn原子的含量，a的范围是0.5～1，b的范围是0.01～0.1；CoaZnbC3NO微粒的尺寸为1～50μm；该催化电极应用于水分解反应制备氢气和氧气的过程，其产氢的过电位为-68mVvsRHE，产氧的过电位为320mVvsRHE，具有优异的催化水分解产氢和产氧性能。本专利技术提供的水分解反应用催化电极的制备方法是：首先在金属基底上生长含钴类水滑石纳米膜，再在该纳米膜上生长含钴金属有机骨架化合物(ZIF-67)，后在惰性气氛下焙烧碳化处理，再用酸处理即得到催化电极。该催化剂同时具有优异的水分解析氧和析氢性能。本专利技术所提供水分解反应用催化电极的制备方法，具体步骤如下：A.先在金属基底上生长含钴类水滑石纳米膜，该纳米膜是含钴类水滑石纳米片垂直生长在基底上形成膜，其中单个纳米片的厚度为20～80纳米、宽度为200～500纳米；纳米膜的厚度为400纳米～1微米。所述含钴类水滑石的化学式是：MxCoy(OH)z(A)·nH2O或CouFev(OH)w(A)·nH2O，其中M代表锌、镍、铁、锰离子，x:y表示M与钴离子的摩尔比为1～4:1，u:v表示钴离子与铁离子的摩尔比为1～4:1，n表示结晶水数目，n＝5～15，A代表阴离子，是硫酸根、碳酸根或硝酸根中的一种或两种；所述金属基底是泡沫镍、镍片、镍铬合金片，其厚度为0.03mm～0.15mm，面积为1～100cm2。该含钴类水滑石纳米膜制备方法参见ZL201410177755.9。B.将可溶性钴盐溶于甲醇中配成0.01-0.1mol/L的钴盐溶液；将2-甲基咪唑溶于甲醇中配成0.1-1mol/L浓度的甲醇溶液；再将这两种溶液混合剧烈搅拌1～20min得到混合溶液；其中钴盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1～10:1，钴盐的摩尔浓度为1～10mmol/L；所述的可溶性钴盐为Co(NO3)2·6H2O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水分解反应用催化电极，该催化电极是Co

【技术特征摘要】
1.一种水分解反应用催化电极，该催化电极是CoaZnbC3NO微粒生长于金属基底上，其中a和b分别表示Co原子和Zn原子的含量，a的范围是0.5～1，b的范围是0.01～0.1；CoaZnbC3NO微粒的尺寸为1～50μm；该催化电极应用于水分解反应制备氢气和氧气的过程，其产氢的过电位为-68mVvsRHE，产氧的过电位为320mVvsRHE。2.一种制备权利要求1所述的水分解反应用催化电极的方法是，具体步骤如下：A.先在金属基底上生长含钴类水滑石纳米膜，该纳米膜是含钴类水滑石纳米片垂直生长在基底上形成膜，其中单个纳米片的厚度为20～80纳米、宽度为200～500纳米；纳米膜的厚度为400纳米～1微米。B.将可溶性钴盐溶于甲醇中配成0.01-0.1mol/L的钴盐溶液；将2-甲基咪唑溶于甲醇中配成0.1-1mol/L浓度的甲醇溶液；再将这两种溶液混合剧烈搅拌1～20min制备混合溶液；其中钴盐与2-甲基咪唑的摩尔比为1～10:1，钴盐的摩尔浓度为1～10mmol/L；C.将步骤A所述的含钴类水滑石纳米膜垂直放入步骤B的混合溶液中，静置10～20小时后取出，用去离子水清洗3-6次，在60～80℃下干燥0.5～3小时，得到复合纳米膜；复合纳米膜是金属有机骨架化合物C24H30Co...

【专利技术属性】
技术研发人员：项顼，唐彦群，刘健仪，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11