[发明专利]一种提升碳布氧气析出性能的方法

说明书

本发明公开了一种提升碳布氧气析出性能的方法，其包括：(1)将五氧化二钒和草酸分别加入到去离子水中，使两者充分反应，形成深蓝色的草酸氧钒溶液；(2)将步骤(1)制备的溶液冷却至室温，然后加入双氧水，使深蓝色的草酸氧钒溶液转换成棕色的过氧化氧钒溶液；(3)向步骤(2)制备的过氧化氧钒溶液中加入乙醇，接着转移到水热反应釜中，再向该水热反应釜中加入洁净碳布，进行水热反应，获得负载有二氧化钒的碳布；(4)以二氧化钒‑碳布复合材料为工作电极，利用循环伏安法除掉其表面的二氧化钒，制得活化碳布。本发明方法使用钒的化合物为氧化剂，在碳布表面引入了含氧官能团，极大提升了碳布在碱性溶液中的催化析氧能力。

技术领域

本发明属于电催化析氧技术领域，更具体地，涉及一种提升碳布氧气析出性能的方法。

背景技术

氧气析出反应由于在诸多能源转换与存储系统(如电解水产氢、金属空气电池等)中扮演非常重要的角色而受到广泛关注。然而，氧气析出反应是一个多电子转移过程，其动力学比较缓慢，常常需要催化剂的帮助加快反应速率。

目前，普遍认为IrO₂和RuO₂是活性最高的氧气析出反应催化剂，但是它们的价格昂贵、储量有限，限制了其在实际生活中的大规模应用。所以，发展高活性、价格便宜的氧气析出反应催化剂具有非常重要的意义。

最近，越来越多的科研工作者认为掺杂的碳材料是IrO₂和RuO₂的有效替代者。当杂原子(如N、S、B、P等)掺入到碳的骨架中，可以精准调控碳材料的电子结构以及表面的物理化学性质，这将有利于氧气在催化剂表面的吸附以及氧中间体的脱附，从而有效降低氧气析出反应较高的活化能，加快氧气的析出(见Yong Zhao,Ryuhei Nakamura,kazuhidekamiya,et al.,Nitrogen-doped carbon nanomaterials as non-metalelectrocatalysts for water oxidation,Nature Communication,2013,4,2390)。

除了掺杂这种策略，在碳材料的表面引入含氧官能团也是一种提升碳材料催化性能的有效手段。例如，Li等发现碳纳米管经过氧气等离子体轰击以及高温热处理后，表面会生成含氧官能团，而这种带有含氧官能团的碳纳米管可以极大提升材料的催化活性；进一步的理论计算发现含氧官能团中的羰基起着至关重要的作用(见Laiquan Li,HongbinYang,Jianwei Miao,et al.,Unraveling oxygen evolution reaction on carbon-basedelectrocatalysts:effect of oxygen doping on adsorption of oxygenatedintermediates,ACS Energy Letters,2017,2,294)。

然而，上述的碳材料常常以粉末形式存在，当应用于电催化领域，将不得不与聚合物粘结剂混在一起，然后固定到电极上。由于受限的物质传输与电子传输，使用粘结剂会降低材料的氧气析出性能。

碳布由于具有三维导电结构、极易获取等特性已经成为电催化领域非常有前景的柔性载体材料。各种各样的活性物质，不管是通过水热法还是气相沉积法，当长在碳布的表面，其催化性能相比它们的粉末样品都会有极大的提升。