一种异质结构电催化剂及其制备方法和应用

本发明属于催化剂，具体涉及一种异质结构电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、氢气由于具有能量密度高、燃烧零碳排放等优点被认为是传统化石能源的理想替代品。电解水制氢是目前大规模制备高纯氢的有效途径之一。然而，其中的阳极半反应-析氧反应(oer)涉及四电子过程、动力学缓慢，是限制电解水效率的关键因素。贵金属铱和钌的氧化物(iro2、ruo2)是高效的oer催化剂，但其稀缺性和高成本严重限制了其大规模应用。因此，构筑非贵金属oer催化剂是目前非常具有应用前景的一项策略。

2、过渡金属硼化物由于其丰富的结构和组分逐渐受到关注，近年来被广泛用作oer催化剂。但是，过渡金属硼化物导电性差、催化活性位点少，其oer催化性能有待进一步提升。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种异质结构电催化剂及其制备方法和应用，本发明提供的催化剂对析氧反应具有良好的催化性能。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种异质结构析氧电催化剂，包括泡沫铜、负载于所述泡沫铜表面的石墨炔和沉积于所述石墨炔表面的钴镍硼纳米颗粒薄膜。

3、优选的，所述钴镍硼纳米颗粒薄膜中钴和镍的摩尔比为0.05:0.95～0.5:0.5；所述钴镍硼纳米颗粒薄膜中钴和硼的摩尔比为1:5～1:15。

4、本发明还提供了上述技术方案所述异质结构析氧电催化剂制备方法，包括如下两个步骤:

5、将泡沫铜浸入有机混合溶液中，在保护气氛下向浸渍泡沫铜的有机混合溶液中滴加六炔基苯的丙酮溶液，偶联反应，得到负载石墨炔的泡沫铜；

6、将所述负载石墨炔的泡沫铜浸于含有镍源、钴源和硼源的混合溶液中进行恒电位沉积，得到所述异质结构析氧电催化剂。

7、优选的，将泡沫铜浸入有机混合溶液前还包括：将所述泡沫铜依次浸没于盐酸溶液、丙酮和超纯水中进行超声处理后干燥；

8、所述有机混合溶液为丙酮、吡啶和四甲基乙二胺的混合溶液；所述丙酮、吡啶、四甲基乙二胺的体积比为48～52:2.5:0.5。

9、优选的，所述六炔基苯的丙酮溶液的制备方法包括以下步骤：

10、将六(三甲硅基乙炔基)苯溶解于有机溶剂中，得到六(三甲硅基乙炔基)苯溶液；

11、将所述六(三甲硅基乙炔基)苯溶液和四丁基氟化铵混合在避光条件下进行取代反应，得到六炔基苯；

12、将所述六炔基苯溶解于丙酮，得到所述六炔基苯的丙酮溶液。

13、优选的，所述有机溶剂为四氢呋喃和/或丙酮；

14、所述有机溶剂和四丁基氟化铵的体积比为5～20:1～5；

15、所述取代反应的温度为-5～5℃，取代反应的时间为5～60min。

16、优选的，所述偶联反应的温度为30～80℃，所述偶联反应的时间为20～30h。

17、优选的，所述镍源为六水合氯化镍或六水合硝酸镍；所述钴源为六水合硝酸钴或六水合氯化钴；所述硼源为硼砂或硼氢化钠。

18、优选的，所述恒电位沉积的电压为-0.8～-1.5v，时间为0.5～3h。

19、本发明还提供了上述技术方案所述异质结构析氧电催化剂或上述技术方案所述制备方法制备的异质结构析氧电催化剂在电解水中应用。

20、本发明提供了一种异质结构电催化剂，包括泡沫铜、负载于所述泡沫铜表面的石墨炔和沉积于所述石墨炔表面的钴镍硼纳米颗粒薄膜。在本发明中，泡沫铜一方面作为载体提高异质结构电催化剂的比表面积，增加催化活性位点，另一方面作为催化剂提高石墨炔的合成速度。在本发明中，石墨炔是一种含有sp和sp2两种杂化态的新型碳同素异形体，由丁二炔连接苯环共轭形成二维平面网络结构的碳分子，具有良好的导电性和较大的比表面积。石墨炔微观结构中含有丰富的π电子，大大提高了电子传导速率；同时，从硼到钴和镍的电子转移，进一步增强了催化剂的导电性；石墨炔薄膜和钴镍硼纳米颗粒薄膜形成异质结构界面，大大提高了电催化剂催化oer的性能；同时本发明提供的异质结构电催化剂成本较低适用于大规模电解水领域。本发明制备的conib/gdy/cf异质结构材料可作为电解水电极，具有优异的电催化析氧性能，当电流密度为20ma cm-2时，在1m koh溶液中析氧过电位仅为270mv，展现出较高的催化活性和稳定性。本发明为构筑石墨炔基异质结构催化剂开辟了新的道路。

技术特征：

1.一种异质结构析氧电催化剂，其特征在于，包括泡沫铜、负载于所述泡沫铜表面的石墨炔和沉积于所述石墨炔表面的钴镍硼纳米颗粒薄膜。

2.根据权利要求1所述异质结构电催化剂，其特征在于，所述钴镍硼纳米颗粒薄膜中钴和镍的摩尔比为0.05:0.95～0.5:0.5；所述钴镍硼纳米颗粒薄膜中钴和硼的摩尔比为1:5～1:15。

3.权利要求1或2所述异质结构析氧电催化剂制备方法，其特征在于，包括如下两个步骤:

4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，将泡沫铜浸入有机混合溶液前还包括：将所述泡沫铜依次浸没于盐酸溶液、丙酮和超纯水中进行超声处理后干燥；

5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述六炔基苯的丙酮溶液的制备方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为四氢呋喃和/或丙酮；

7.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述偶联反应的温度为30～80℃，所述偶联反应的时间为20～30h。

8.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述镍源为六水合氯化镍或六水合硝酸镍；所述钴源为六水合硝酸钴或六水合氯化钴；所述硼源为硼砂或硼氢化钠。

9.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述恒电位沉积的电压为-0.8～-1.5v，时间为0.5～3h。

10.权利要求1或2所述异质结构析氧电催化剂或权利要求3～9任一项所述制备方法制备的异质结构析氧电催化剂在电解水中应用。

技术总结
本发明属于催化剂技术领域，具体涉及一种异质结构电催化剂及其制备方法和应用。本发明首先在泡沫铜表面生成石墨炔薄膜，随后通过电沉积的方式在石墨炔上面覆盖钴镍硼纳米颗粒薄膜，得到异质结构的复合材料。本发明制备的异质结构复合材料可直接用作自支撑电极，在碱性电解质溶液中表现出高效且稳定的催化析氧性能。

技术研发人员：孙召梅,荆福祥,张世鑫,邵红磊,王琳静,时鹏飞,张书圣
受保护的技术使用者：临沂大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16