[发明专利]一种用于提高全解水催化活性的双金属共掺杂复合材料

说明书

本发明涉及一种用于提高全解水(或电解水)催化活性的双金属复合材料，通过加入钴盐和钒盐形成双金属包覆Cu(OH)₂纳米线的复合材料(Cu(OH)₂@CoV/CF)，钴钒双金属以一定比例结合包覆，会表现优异的催化性能和稳定性。本发明的有益效果是：本发明采用两步法制备出双金属掺杂材料(Cu(OH)₂@CoV/CF)，并将该复合材料应用于电解水的阳极和阴极都表现出良好的电催化性能。通过与单金属比较，其形貌和性能都有很大区别，实验结果表明钴钒双金属以一定比例结合包覆，双金属的协同作用促进催化性能的提高，使全解水更容易进行。

技术领域

本发明涉及复合材料的制备，特别涉及一种用于电解水阳极和阴极的复合材料及将其应用于全解水测试。

背景技术

近年来随着世界经济的快速发展，传统化石能源的储量的日渐减少，而能源的需求量却逐年增大，能源危机日益深化。虽然传统化石能源的能量转换，给现代生活带来了巨大的方便，促进了近现代工业的大发展。但同时由于传统化石能源向电、热等能量转换过程中产生大量的CO₂、SO₂等污染物由此带来的大气、水、土壤等环境污染问题也日益严重。为了解决上述的能源危机及环境问题，发展可持续的清洁新能源和能源转换技术成为近代社会的最迫切的需求。对能源、环境领域双重的积极影响的燃料电池，水分解催化，金属空气电池和二氧化碳还原等先进的能源转换技术成为近年来的研究热点，电解水产氢作为一种产氢最高效、清洁的方法成为研究的热点。

氢能具有高燃烧热、能源转换过程清洁无毒、无污染等优点近年来受到广泛关注。其中，电催化剂材料是电催化能源转化和储存的核心，起到提高转化效率和选择性的作用。设计和发展新型电催化剂，是目前电催化能源转化的当务之急。目前，电解水阳极析氧和阴极析氢最好的催化剂仍主要采用RuO₂及Pt基催化剂。然而Ru和Pt存在价格昂贵、成本过高等问题。而非贵金属(如铁、钴、镍、锰、钒等)因具有相对低的价格和良好的催化活性而倍受青睐。然而，这类材料在得失电子过程中导电性较差，从而导致稳定性较差。因此，开发廉价、耐用、高效的非铂基电解水催化剂已经成为现今研发的关键。

众所周知，前过渡金属(ETM)与后过渡金属(LTM)在催化剂研究中有着不同的影响，这对研究析氢反应(HER)与析氧反应(OER)的催化剂非常有帮助。例如用于HER的过渡金属硫化物、磷化物、硒化物、氮化物和碳化物以及用于OER的氧化物(镍氧化物和钴氧化物)。作为典型的LTM，钴(Co)由于其相对较低的成本和降低H⁺的活性而在HER中是有前景的。一般来说，单一钴金属对HER具有较差的活性和稳定性。为了提高催化活性，构建钴基为基础的杂化物是非常有必要的。例如，钴掺杂的碳纳米管及钴掺杂MoO₂纳米线等都已被作为良好的HER催化剂。另一方面，作为典型的ETM的钒(V)已经在催化和能量领域进行了深入的研究。证明VN和VC对HER有用，而VOOH对OER有效。结果表明，V和Co的结合可以产生OER活性催化剂。此外，对于ETM与LTM有效结合合成新型材料是非常充满希望的，更利于进一步探究新型催化剂材料。

在此，我们采用泡沫铜为自支撑材料，在泡沫铜表面生长Cu(OH)₂纳米线，然后在纳米线外表面包覆钴钒复合物。实验通过两步法在泡沫铜上合成了Cu(OH)₂@CoV/CF异质结构的复合纳米线，具有优异的催化性能。本实验合成方法简单，操作简便，在保持高的比表面积的同时，催化剂具有更高的导电性能和催化性能。所制备的材料无论OER还是HER都表现出良好的性能，且相同条件下可超过RuO₂及Pt/C的性能，是一种有潜力的电催化全解水纳米材料。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种电解水阳极析氧和阴极析氢催化剂的复合材料并将其用于全解水测试。