一种用于析氧反应的含有异质结结构的聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法

技术领域

本文涉及一种用于析氧反应的电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着过度消耗化石燃料引起的能源危机和环境污染日益严重，氢能作为可再生的清洁能源备受关注。电解水是制取氢气的一种重要途径，析氧反应（OER）是电解水的半反应之一，也是电解水的速率控制步骤。OER是一个过程相当复杂的四电子转移反应，涉及到O-H键的断裂、O-O键的形成和质子耦合电子的转移，从而减慢了电解水的整个动力学过程。因此，要使电解水反应能够高效的进行，需要研究高效、稳定的电催化剂来促进OER反应动力学。目前最有效的OER催化剂是贵金属铱和钌的氧化物（IrO

具有氧磷基团的聚苯并咪唑（PBI-OP）是一类具有高热稳定性、抗氧化性和良好力学性能的高性能聚合物，其通常被用来制作质子交换膜。此外，该聚合物具有良好的电导率；同时PBI-OP所具有的N物种可以产生孤电子对。这使得PBI-OP可以作为一种电催化剂基体材料，但是其需要锚定合适的金属配体才能发挥出优异的电催化特性。

针对以上问题，提出一种低成本高性能的OER电催化剂的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有异质结结构的聚苯并咪唑基OER电催化剂的制备方法。首先是通过直接缩聚法合成PBI-OP，其重复单元结构如下所示：

其次将PBI-OP和氯化镍（II）六水合物（NiCl

本发明提供的一种含有异质结结构的OER电催化剂的制备方法，包括如下制备步骤：

PBI-OP的制备：采用直接缩聚法，将3, 3' -二氨基联苯胺（DAB）、双(4-羧苯基)苯基氧化膦（BCPPO）进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后真空干燥即得PBI-OP。

前驱体（Ni/PBI-OP Pre）的制备：将（1）中所得PBI-OP研磨成粉末后加入到超声处理过的NiCl

纳米颗粒催化剂（Ni

优选地，步骤（1）中，盐浸使用的溶液为5 wt%的Na

优选地，步骤（2）中，Ni元素占PBI-OP的质量百分比分别为0.3、0.5、0.7。

优选地，步骤（2）中，超声处理的功率值为1500 W，90%能量输出值下超声15 min；水热蒸发温度为60 ℃；真空干燥温度为80 ℃，干燥时间为24 h。

优选地，步骤（3）中，退火温度分别为700 ℃、800 ℃和900 ℃，退火时间为3 h，升温速率为5 ℃/min。

本发明提供的OER电催化剂的制备方法与现有技术相比具有以下进步：

本发明所提供的OER电催化剂的制备过程，原材料成本低廉，无毒无害，易于得到；反应温度平稳，反应温和，易于控制。

本发明提供的方法生产了一种纳米颗粒形态的OER电催化剂，此种纳米颗粒中存在的微晶石墨结构优化了OER导电性。

本发明所提出的OER电催化剂的制备方法，这种催化剂中含有Ni

附图说明

本发明合成的PBI-OP的化学结构通过

图1为实施例一中所制得的PBI-OP的

图2为实施例一和二中所制得的PBI-OP和Ni/PBI-OP的XRD谱图；

图3为实施例三中所制得的Ni

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

PBI-OP的制备：采用缩聚反应制备PBI-OP，将10 g 五氧化二磷（P

通过直接缩聚法，将DAB和BCPPO在PPA中缩聚法合成了具有氧磷基团的聚苯并咪唑(PBI-OP)。如图1所示，PBI-OP中的H原子与所有信号峰匹配良好。

此外，

实施例二

前驱体（0.3 Ni/PBI-OP Pre）的制备：将150 mL去离子水和364.5 mg NiCl

前驱体（0.5 Ni /PBI-OP Pre）的制备：将150 mL去离子水和607.5 mg NiCl

前驱体（0.7 Ni/PBI-OP Pre）的制备：将150 mL去离子水和850.6 mg NiCl

所有制备的前驱体的不同点在于Ni元素占PBI-OP的质量百分比不同，0.3 Ni/PBI-OP Pre，0.5 Ni /PBI-OP Pre和0.7 Ni /PBI-OP Pre中Ni元素占PBI-OP的质量百分比分别为30%，50%和70%。从图2可以看出结果表明，PBI-OP在21.8°处有一个结晶度较低的宽峰，这是由于PBI-OP聚合物主链的周期性平行性，表明PBI-OP具有无定形结构。同样，Ni/PBI-OP Pre在21.8°处也有较宽的衍射峰，说明浸渍法对PBI-OP的聚合物链进行了良好的保存，为Ni

实施例三

纳米颗粒催化剂（0.3 Ni/PBI-OP NPs-800 ℃）的制备：在N

纳米颗粒催化剂（0.5 Ni/PBI-OP NPs-800 ℃）的制备：在N

纳米颗粒催化剂（0.7 Ni/PBI-OP NPs-800 ℃）的制备：在N

本发明还以900 ℃的退火温度制备了0.3 Ni

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。