一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电催化技术领域，具体公开了一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法和应用。本发明专利技术的电极在多孔导电基底上原位生长有Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒，且CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe2O3纳米片上，形成了二维异质结构的自支撑电极。这种二维异质结构使得该电极具有更大的比表面积，暴露出更多的活性位点，调整了电极材料的电子结构；加之多孔导电基底的自支撑结构保证了金属氧化物电极的高导电性，并实现了活性组分与导电基底的有效整合，这些性质相互协调，大大提高了自支撑电极的催化反应活性。实验结果表明，本发明专利技术的自支撑电极具有较高的电化学性能和稳定性，在碱性电解液中具有优异的析氢和析氧反应活性。应活性。应活性。

【技术实现步骤摘要】
一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化
，具体涉及一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法，以及该电极在电解水方面的应用。

技术介绍

[0002]由于化石燃料的使用加剧了环境污染，急需一种可代替传统化石燃料的新能源。氢能是公认为的最具应用前景的新能源，具有较高的能量密度，且氧化产物为水，对环境友好，是一种绿色清洁能源。但是，目前广受青睐的电解水制氢技术仍存在许多问题。例如，如何降低阳极析氧反应和阴极析氢反应的过电位，实现在低电位下产氢，如何降低电能消耗和制氢成本等，这些都是科技工作者需要解决的技术难题。有研究发现，贵金属电极能够有效降低电解水时阴阳两极的过电位，但是这类金属地壳丰度低、价格昂贵，限制了其大规模应用。因此，开发廉价高效的非贵金属催化剂将有利于解决上述问题。
[0003]目前开发非贵金属催化剂的基本思路是通过调节组成(如阴、阳离子掺杂)、构造特殊形态(如合金、核壳或异质结构)、构造缺陷等改变材料的电子结构及微观形貌，从而改善催化剂电解水制氢的性能。例如，中国专利CN110219013A公开的一种自支撑氮修饰铁镍氢氧化物电解水双功能电极材料，先通过水热法制备NiFe
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LDH前驱体，再以氨水为氮源，通过水热法制备氮修饰的NiFe
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LDH纳米片电极材料。该专利在Ni
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foam基底上原位合成层状双金属氢氧化物(NiFe
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LDH)，既能利用Ni
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foam基底的导电性，还能通过原位合成降低NiFe
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LDH与Ni
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foam基底之间的电阻；再以氨水为氮源，经二次水热反应在NiFe
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LDH中掺入氮原子，能显著提高电极的全解水性能。但是该专利的制备工艺较为复杂，需要进行二次水热处理，不易于操作。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种异质结构的双功能自支撑电极，利用异质结构的设计调整电极材料的电子结构，加速反应界面的电子转移速率，从而提高电极材料的电化学性能，弥补了传统金属氧化物电极只能作为析氧反应电极的劣势。
[0005]同时，本专利技术还提供一种异质结构的双功能自支撑电极的制备方法。
[0006]最后，本专利技术再提供一种异质结构的双功能自支撑电极在电解水方面的应用。
[0007]为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0008]一种异质结构的双功能自支撑电极，所述电极在多孔导电基底上原位生长有Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒，所述CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe2O3纳米片上。
[0009]本专利技术的自支撑电极在多孔导电基底上原位生长有Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒，其中CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe2O3纳米片上，形成了二维异质结构的自支撑电极。这种二维异质结构使得该电极具有更大的比表面积，从而暴露出更多的活性位点，调整了电极材料的电子结构，同时多孔导电基底的自支撑结构保证了金属氧化物电极的高导电性，这些性质相互协调，大大促进了活性材料性能的发挥。实验结果表明，本专利技术的自支撑
电极可与商用的Pt/C电极和RuO2电极的性能相媲美，是一种优异的双功能电解水电极材料。
[0010]作为一种优选的实施方式，所述多孔导电基底优选为泡沫镍(Ni
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foam)。所述多孔导电基底(如泡沫镍)在原位生长Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒之前，先用盐酸溶液清洗去除导电基底中的杂质。所述盐酸溶液的浓度为0.05
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0.3mol/L，优选为0.1mol/L。
[0011]作为一种优选的实施方式，所述在多孔导电基底上原位生长Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒的方法为：以可溶性铁盐、可溶性铜盐为前驱体，在酸性条件下，与草酸根配体通过水热反应在多孔导电基底上原位生长Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒。所述可溶性铁盐优选为硝酸铁(即九水合硝酸铁)。
[0012]作为一种优选的实施方式，所述可溶性铜盐优选为硝酸铜(四水合硝酸铜)。
[0013]作为一种优选的实施方式，所述酸性条件采用有机酸调节，
[0014]作为一种优选的实施方式，优选为草酸二水合物(即草酸)。
[0015]作为一种优选的实施方式，所述草酸根配体为有机配体，优选为草酸二水合物，此种情况下，所述酸性条件可以由草酸二水合物调节。也就是说，草酸二水合物在此体系中既作配体，又作酸度调节剂。例如，草酸根阴离子易于与溶液中的金属阳离子形成配合物中间体，中间体分解产生多孔结构的金属氧化物(Fe2O3)。
[0016]作为一种优选的实施方式，所述水热反应的过程为：将可溶性铁盐(优选为硝酸铁)、可溶性铜盐(优选为硝酸铜)、溶剂(水，优选为去离子水)、草酸根配体(优选为草酸二水合物)，放入聚四氟乙烯内衬中分散均匀，加入多孔导电基底(如清洗过的泡沫镍)，之后装入不锈钢反应釜中进行水热反应，得到异质结构的双功能自支撑电极。
[0017]作为一种优选的实施方式，所述可溶性铁盐(优选为硝酸铁)、可溶性铜盐(优选为硝酸铜)、草酸根配体(优选为草酸二水合物)的摩尔比为1
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2:1
‑
2:2.5
‑
5，优选为1:1:2.5。在该水热反应体系中，所述草酸根配体的浓度为0.01
‑
0.05mol/L，优选为0.04mol/L。例如，在30mL溶剂中添加0.158g草酸二水合物，可溶性铁盐、可溶性铜盐的用量按照摩尔比添加。
[0018]作为一种优选的实施方式，所述分散采用超声分散的方式，对超声分散的功率、频率和时间不做特殊要求，将溶液分散均匀即可。例如，设置超声分散的频率为80
‑
120Hz，时间为5
‑
20min。优选地，设置超声分散的频率为100Hz，时间为10
‑
12min。
[0019]作为一种优选的实施方式，所述多孔导电基底与前驱体(可溶性铁盐、可溶性铜盐之和)的质量比为1
‑
2:1优选为1.65:1。
[0020]作为一种优选的实施方式，所述水热反应的条件为：在160
‑
200℃下反应16
‑
24h。优选地，在200℃下反应24h。
[0021]作为一种优选的实施方式，所述水热反应完成后，冷却至室温，洗涤、干燥。所述洗涤为依次用去离子水、无水乙醇冲洗，分别冲洗3
‑
5次，以去除电极表面的杂质。所述干燥优选为真空干燥，干燥的温度为50
‑
80℃，时间为10
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15h，优选在60℃下干燥12h。
[0022]一种异质结构的双功能自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：以可溶性铁盐、可溶性铜盐为前驱体，在酸性条件下，与草酸根配体通过水热反应在多孔导电基底上原位生长Fe2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异质结构的双功能自支撑电极，其特征在于：所述电极在多孔导电基底上原位生长有Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒，所述CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe2O3纳米片上。2.根据权利要求1所述的异质结构的双功能自支撑电极，其特征在于：所述多孔导电基底为泡沫镍。3.根据权利要求1所述的异质结构的双功能自支撑电极，其特征在于：所述在多孔导电基底上原位生长Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒的方法为：以可溶性铁盐、可溶性铜盐为前驱体，在酸性条件下，与草酸根配体通过水热反应在多孔导电基底上原位生长Fe2O3纳米片和CuO四面体纳米颗粒；优选地，所述可溶性铁盐为硝酸铁，和/或，所述可溶性铜盐为硝酸铜，和/或，所述草酸根配体为草酸二水合物，酸性条件由草酸二水合物调节。4.根据权利要求3所述的异质结构的双功能自支撑电极，其特征在于：所述可溶性铁盐、可溶性铜盐、草酸根配体的摩尔比为1
‑
2:1
‑
2:2.5
‑
5，优选为1:1:2.5；和/或，所述水热反应体系中，草酸根配体的浓度为0.01
‑
0.05mol/L，优选为0.04mol/L；和/或，所述多孔导电基底与前驱体的质量比为1
‑
2:1优选为1.65:1；和/或，所述水热反应的条件为：在160
‑
200℃下反应16
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24h，优选在200℃下反应24h。5.一种如权利要求1
‑
4中任一项所述的异质结构的双功能自支撑电极的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭生杰，王辉，李林林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：