[发明专利]用于电解水的铜氧化物/钴氧化物核壳结构催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及用于电解水的铜氧化物/钴氧化物核壳结构催化剂，该核壳结构催化剂具有泡沫铜基底、CuO_X内核、Co₃O₄外壳，其中，所述CuO_X为CuO和Cu₂O的混合物。本发明还涉及该催化剂的制备方法，包括合成Cu(OH)₂ NRs/CF电极、合成Cu(OH)₂@Co₂CO₃(OH)₂ NRs/CF电极、合成CuO_x@Co₃O₄ NRs/CF电极。本发明的有益效果：（1）在泡沫铜基底上原位合成了多层级的CuO_x@Co₃O₄纳米棒阵列核壳结构其中CuO_x为核Co₃O₄为壳，通过其三维形貌带来的大的电化学活性表面积以及不同金属之间的协同作用，使得所获得的电极在碱性电解液中表现出优良的OER和HER活性和稳定性；（2）催化电解水的能力高；（3）原料成本低，制备方法简单。

技术领域

本发明属于电催化水分解技术领域，具体涉及一种用于电解水的铜氧化物/钴氧化物核壳结构催化剂，本发明还涉及该催化剂的制备方法。

背景技术

随着经济的快速发展，社会中各个领域对能源的需求越来越大，与此同时，传统化石燃料的大量使用给人类的生存环境和健康带来了极大危害，因此寻求可替代化石燃料的可再生清洁能源是目前亟待解决的问题。

清洁能源中，氢能源由于热值高、唯一的燃烧产物是水等优点被认为是最理想的化石燃料替代能源，通过电化学分解水的方法获得高纯度的氢气是目前最具前景的获得可再生清洁能源的方式之一。实现电解水分解涉及两个半反应：在阳极的析氧半反应（OER）和在阴极的析氢半反应（HER），在这两个半反应进行过程中需要以过电位（η）的形式提供额外的能量用于克服各种反应能垒。目前最高效的HER和OER电催化剂分别是Pt和RuO₂(IrO₂)。RuO₂(IrO₂)材料通常在碱性体系中表现出优良的OER电催化活性在酸性体系中稳定性大大下降，Pt材料通常在酸性体系中表现出高效的催化性能在碱性环境中催化活性却大大降低。此外，Pt和RuO₂(IrO₂)均是贵金属材料，昂贵的价格和稀少的储量也大大阻碍了它们在电解水中的大规模商业化普及。因此，设计和发展在同一体系中高效、稳定的非贵金属双功能电催化剂以实现水的全分解（在相同的碱性或酸性体系中同时具备OER和HER活性）具有很大的应用前景和吸引力。

近些年来，一些纳米尺寸异质结构（heterostructures）的催化剂在电催化水分解中表现出优异的催化活性。异质结构的催化材料通常能结合各种不同材料的优点，并且能提高催化剂的电化学活性表面积，暴露更多的活性位点，提高材料的导电性，降低反应活化能。同时人们也开始关注过渡金属，如Co、Ni、Fe、Mn等，作为电解水催化剂的应用。

金属铜作为过渡金属的成员之一具有价格低廉、储量丰富等优点，在近几年来也被逐渐应用在电催化水分解领域中，尤其是应用在OER半反应中。目前，虽然金属铜在电催化分解水方面取得了一些进步，但是它在水的全分解中（同时进行析氧和析氢反应）的应用还处于起步阶段。因此设计合成同时具有高效稳定的OER和HER催化性能的Cu基异质结构催化剂在相同的电解体系中实现水的全分解具有较大的可行性和实际应用价值。

本申请在此方向上进行了研究。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的之一是提供一种用于电解水的铜氧化物/钴氧化物核壳结构催化剂，该核壳结构催化剂如下。