双功能OER/HER电解水催化剂、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学技术领域，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。

背景技术

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1.8-2.0V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。

现有技术中，贵金属基催化剂如RuO

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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双功能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-NS@Co

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

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。

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@Co

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：

S1：用碳化三聚氰胺泡沫制备三维泡沫碳载体：在100mLmin

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5-10分钟得到透明溶液，将大小为2×2cm

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@Co

本发明的优点在于：

1、本发明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@Co

2、本发明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@Co

3、本发明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。

4、本发明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。

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明。

附图说明

图1中(a）、（b)为本发明实施例1中所得的NiO@Co

图2为本发明实施例1中所得的NiO@Co

图3为本发明实施例1中所得的NiO@Co

图4中(a)为本发明实施例1中所得的NiO@Co

图4中(b)为本发明实施例1中所得的NiO@Co

图5为本发明实施例1中所得的NiO@Co

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例

本实施例提供的双功能OER/HER电解水催化剂，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。

所述的双功能OER/HER电解水催化剂，其是三维自支撑型NiO@Co

所述的催化剂由三维自支撑泡沫碳负载过渡金属氧化物Co

所述的NiO壳层具有纳米片的形貌，平均尺寸为200-500nm，厚度为10-50nm。

一种所述双功能OER/HER电解水催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1：用碳化三聚氰胺泡沫制备三维泡沫碳载体：在100mLmin

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5-10分钟得到透明溶液，将大小为2×2cm

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@Co

一种所述双功能OER/HER电解水催化剂在电解水反应中的应用，该双功能OER/HER电解水催化剂具体为三维自支撑型NiO@Co

所述的三维自支撑型NiO@Co

所述的三维自支撑型NiO@Co

更为具体的，一种所述双功能OER/HER电解水催化剂的制备方法，包括以下步骤：

在100mLmin

在35mL去离子水中依次加入适量的Co(NO

将约为6mg的泡沫碳浸没于溶液A中，然后将体系转移至50mL的水热反应釜中，加热升温至适当温度并保温适当时间，随后冷却至室温；

得到的泡沫碳负载的Co纳米线前驱体用水和乙醇分别洗涤3-5次，以去除多余的表面活性剂和游离离子。

在35mL乙醇溶液中依次加入适量Ni(NO

将负载Co纳米线前驱体的泡沫碳浸没于溶液B中，将体系转移至50mL的水热反应釜中，加热升温至适当温度并保温适当时间，随后冷却至室温。

得到的负载有钴@镍物质的泡沫碳用水和乙醇分别洗涤3-5次，之后在烘箱中以60℃烘干。

烘干的负载有钴@镍物质的泡沫碳放置在管式炉中，并通入惰性气体氮气，以5℃min

实施例1

参见附图1-5，在前述实施例的基础上，本实施例提供的高效OER/HER双功能电解水催化剂(NiO@Co

在35mL去离子水中依次加入0.0873g的Co(NO

将大小为2×2cm

得到的负载有Co纳米线前驱体的泡沫碳用水和乙醇分别洗涤3次，以去除多余的表面活性剂和游离离子。

在35mL乙醇溶液中依次加入0.0967gNi(NO

将负载Co纳米线前驱体的泡沫碳浸没于溶液B中，随后体系转移至50mL的水热反应釜中，加热升温至90℃并保温10h，随后体系冷却至室温。

得到的负载有钴镍物质的泡沫碳用水和乙醇分别洗涤3次，之后在烘箱中以60℃烘干过夜。

烘干的负载有钴镍物质的泡沫碳放置在管式炉中，通入惰性气体氮气，以5℃min

本实施例制备得到的以泡沫碳为基底的NiO@Co

从附图1、2可以看出，三维泡沫碳的骨架上成功地均匀生长了NiO@Co

在本发明其他实施例中，采用前述的两步水热法及后续的煅烧法，还可以制备出三维泡沫碳(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-NS@Co

对比例1

本对比例制备一种类似的Co

在35mL去离子水中依次加入0.0873g的Co(NO

将大小为2×2cm

得到的负载有Co纳米线前驱体的泡沫碳用水和乙醇分别洗涤3次，之后在烘箱中以60℃烘干过夜。

烘干的负载有钴纳米线前驱体的泡沫碳放置在管式炉中，通入惰性气体氮气，以5℃min

对比例2

本对比例制备一种类似的NiO-NS/CF催化剂，并且将其与实施例1进行对比。

在35mL乙醇溶液中依次加入0.0967gNi(NO

将大小为2×2cm

得到的负载有Ni纳米片前驱体的泡沫碳用水和乙醇分别洗涤3次，之后在烘箱中以60℃烘干过夜。

烘干的负载有Ni纳米片前驱体的泡沫碳放置在管式炉中，通入惰性气体氮气，以5℃min

本发明上述实施例制备的双功能电催化剂，由具有高导电性的三维自支撑泡沫碳负载过渡金属氧化物Co

本发明提供的双功能OER/HER电解水催化剂及其在电解水反应中的应用，通过对该双功能OER/HER电解水催化剂的结构及组分的结合，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，复合金属氧化物形成核壳异质结构，原位负载在导电的三维泡沫碳上，使其具有在电解水反应中催化析氧反应和析氢反应的双功能，其具体为三维自支撑型NiO@Co

经过实际测试，本发明提供的三维自支撑型NiO@Co

需要特别说明的是，在本发明上述记载的范围内，选择其他组分、配比及制备工艺而得到的其他OER/HER双功能电解水催化剂，均可以实行本发明的技术效果，故不再将其一一列出。

以上所述，仅仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，都可以利用本发明所记载的范围内对本发明技术方案做出许多可能的变动或更改为等同变化的等效实施例。故凡是未脱离本技术发明方案的内容，依据本发明之结构、构造及原理所做的等效修改，均应涵盖于本发明的保护范围内。