双功能OER/HER电解水催化剂、制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于纳米材料与电化学技术领域，公开了一种双功能OER/HER电解水催化剂、制备方法及其应用，其电催化剂由三维自支撑泡沫碳负载过渡金属氧化物Co3O4纳米线@NiO纳米片的核壳结构(NiO

【技术实现步骤摘要】
双功能OER/HER电解水催化剂、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于纳米材料与电化学
，涉及一种用于电解水的双功能OER/HER电解水催化剂、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]氢能源由于其热值高，燃烧性能好，清洁无污染，产、储、用方式多样化等优点，是一种极具发展前景的清洁能源，对实现能源于环境的可持续、协调发展具有重要意义。在目前主要的制氢方式中，电解水作为一种制备氢气的重要方法，因其具有制备方法简便、原料来源广、产品纯度高等优点而备受关注。电解水有两个半反应，即阴极的析氢反应(HER)与阳极的析氧反应(OER)。由于HER与OER自身存在较高的活化势垒，在热力学上不易发生，因此，在碱性条件下，水电解槽通常需要在1.8
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2.0V的更高电压下才可以运行，而电解水的理论极限电压只有1.23V。
[0003]现有技术中，贵金属基催化剂如RuO2和Pt/C等虽然能分别有效地催化析氧和析氢反应，但价格高昂且稀缺，严重限制其大规模应用与商业推广。值得注意的是，一般好的OER催化剂会表现出较差的HER活性，反之亦然。此外，在同一电解质溶液中，分别用于OER和HER的两种电催化剂在稳定和最活跃状态时的pH范围往往并不匹配，这导致电解池整体性能较差。而使用高效的OER/HER双功能电催化剂则可以改善反应迟缓的动力学并降低OER与HER过电势，从而提高体系的整体性能。因此，对于非贵金属OER/HER双功能催化剂的深入研究对开发稳定、高效的电解水催化剂具有十分重要的意义。
[0004]过渡金属由于储量丰富，价格低廉，具有独特的d电子结构，成为了贵金属催化剂的潜在替代物。基于过渡金属的化合物如氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物、氮化物和合金等在催化析氢和析氧上已经得到了深入研究。其中，过渡金属氧化物独特的氧化还原性能，多样的结构和可变的价态促使其在碱性条件下展现出优异的OER催化性能。然而单一的过渡金属氧化物往往展现出不佳的HER性能，因此，构造和合成能够同时高效地催化析氢和析氧反应的双功能催化剂对于电解水的应用具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种双功能OER/HER电解水催化剂、制备方法及其应用，通过新的构思制备得到具有核壳结构的三维自支撑型非贵金属基OER/HER双功能电解水催化剂NiO
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NS@Co3O4‑
NW/CF(以下简写为NiO@Co3O4/CF)，该催化剂在碱性条件下能兼具高效的析氢和析氧的催化活性和稳定性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种双功能OER/HER电解水催化剂，其特征在于，其是一种三维自支撑型过渡金属基OER/HER催化剂，其由两种过渡金属氧化物和导电载体组成，通过溶剂热法和热处理，将复合金属氧化物原位负载在导电的三维泡沫碳上，形成核壳异质结构的三维自支撑分级多孔纳米复合材料。
[0008]所述的双功能OER/HER电解水催化剂，其特征在于，其是三维自支撑型NiO@Co3O4/CF催化剂，该催化剂是以三维泡沫碳为载体对过渡金属基氧化物、核壳结构的NiO@Co3O4进行复合而得到的三维自支撑分级多孔纳米复合材料NiO@Co3O4/CF；其中，核壳结构的NiO@Co3O4是以Co3O4为核，并在Co3O4上原位均匀负载NiO纳米片形成的壳层，包覆Co3O4纳米线而得到核壳结构NiO@Co3O4，该核壳结构为所述催化剂中的活性组分。
[0009]一种所述双功能OER/HER电解水催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010]S1：用碳化三聚氰胺泡沫制备三维泡沫碳载体：在100mLmin
‑1的氮气流下，将三聚氰胺泡沫(MF)按照升温程序加热至700℃并保温1小时，冷却至室温后得到黑色三维泡沫碳(CF)；
[0011]S2：制备负载有镍@钴前驱体的泡沫碳：取适量的钴盐、尿素、CTAB溶解于水中超声5
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10分钟得到透明溶液，将大小为2
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2cm2的泡沫碳浸入溶液后一并转移至水热反应釜内进行第一步水热反应，得到负载有钴前驱体的泡沫碳，经过洗涤后浸入至含有镍盐、尿素的乙醇溶液中并整体转移至反应釜内进行第二步水热反应；冷却至室温后洗涤得到的负载有镍@钴前驱体的泡沫碳；
[0012]S3：制备催化剂：将负载有镍@钴前驱体的泡沫碳，放置在管式炉中350℃煅烧并保温1小时，冷却至室温后得到NiO@Co3O4/CF催化剂。
[0013]本专利技术的优点在于：
[0014]1、本专利技术合理地设计了一种自支撑型非贵金属基催化剂的组分及结构，其是一种三维自支撑分级多孔纳米复合材料，有利于催化过程中电解质的运输和电荷存储，增加了催化剂的表面积。相比单一金属氧化物，合成的NiO@Co3O4/CF具有丰富的氧空位，其Co3O4‑
NW核层与NiO
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NS壳层间的协同作用及其核壳结构整体与三维泡沫碳的相互作用，可以引起催化剂表面电子结构的改变，提高对析氢和析氧的催化活性；此外，选用具有高导电性和孔隙率的三维泡沫碳为基底，可以提高电子的转移和促进产生的氢气和氧气气泡的释放。
[0015]2、本专利技术采用两步水热法及后续的煅烧法，制备了三维泡沫碳(CF)上原位生长的氧化钴纳米线@氧化镍纳米片的核壳结构(NiO@Co3O4/CF)作为碱性条件下电解水的双功能催化剂。其中NiO
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NS壳层与Co3O4‑
NW核层之间的协同效应，以及与三维泡沫碳之间的相互作用能够有效的提升析氢和析氧的催化性能。具有独特的核壳结构与丰富氧空位的NiO@Co3O4复合材料有利于更多活性位点的暴露和增大电化学活性面积；相对于粉末状催化剂而言，三维泡沫碳作为导电基底的自支撑催化剂也避免了粘结剂对催化剂的不利影响，更有助于提高催化剂的催化活性和化学稳定性；金属氧化物复合材料成本低，合成工艺简单可行，能在同一电解质中同时作为阴极和阳极进行电解水。
[0016]3、本专利技术的制备方法可操作性强，原料来源丰富且价格低廉。该方法操作简单可行，原料价格低廉且含量丰富。
[0017]4、本专利技术所制备的催化剂在碱性介质下能够高效地催化析氢反应和析氧反应。并能在同一电解质中同时作为阴阳两极进行电解水，且稳定性好。
[0018]下面结合附图与具体实施方式，对本专利技术进一步详细说明。
附图说明
[0019]图1中(a）、（b)为本专利技术实施例1中所得的NiO@Co3O4/CF的扫描电镜图。
[0020]图2为本专利技术实施例1中所得的NiO@Co3O4/CF的透射电镜图(a)、高分辨透射电镜图(b)。
[0021]图3为本专利技术实施例1中所得的NiO@Co3O4/CF的X射线能谱图(EDS)。
[0022]图4中(a)为本专利技术实施例1中所得的NiO@Co3O4/CF与对比例1(Co3O4/CF)、对比例2(NiO/CF)以及纯泡沫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双功能OER/HER电解水催化剂，其特征在于，其是一种三维自支撑型过渡金属基OER/HER催化剂，其由两种过渡金属氧化物和导电载体组成，通过溶剂热法和热处理，将复合金属氧化物原位负载在导电的三维泡沫碳上，形成核壳异质结构的三维自支撑分级多孔纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的双功能OER/HER电解水催化剂，其特征在于，其是三维自支撑型NiO
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NS@Co3O4‑
NW/CF催化剂，简写为NiO@Co3O4/CF催化剂，该催化剂是以三维泡沫碳为载体对过渡金属基氧化物、核壳结构的NiO@Co3O4进行复合而得到的三维自支撑分级多孔纳米复合材料NiO@Co3O4/CF；其中，核壳结构的NiO@Co3O4是以Co3O4为核，并在Co3O4上原位均匀负载NiO纳米片形成的壳层，包覆Co3O4纳米线而得到核壳结构NiO@Co3O4，该核壳结构为所述催化剂中的活性组分。3.根据权利要求2所述的双功能OER/HER电解水催化剂，其特征在于，所述的催化剂由三维自支撑泡沫碳负载过渡金属氧化物Co3O4纳米线@NiO纳米片组成，其中，所述的Co3O4核层具有纳米线结构，其长度为3
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5μm，直径为100
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200nm，均匀分布在载体三维泡沫碳的骨架上。4.根据权利要求2所述的双功能OER/HER电解水催化剂，其特征在于，所述的NiO壳层具有纳米片的形貌，平均尺寸为200
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500nm，厚度为10
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50nm。5.一种根据权利要求1至4任一项所述双功能OER/HER电解水催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敏敏，徐欢，章丹，张久俊，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：