[发明专利]一种三维分级复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化镍/氮化钛/碳布三维分级复合材料，首先采用水热法和后续氨气氮化的方法在预处理后的碳布表面生长一层多孔氮化钛纳米线阵列，然后采用多次吸附法在氮化钛纳米线表面吸附油酸镍，再通过高温碳化退火将油酸镍裂解为氧化镍纳米颗粒，从而制备出氧化镍/氮化钛/碳布三维分级复合材料。本发明所述三维分级复合材料最外层的氧化镍纳米颗粒有利于暴露出高的活性位点提高电化学活性；同时，氧化镍与多孔氮化钛纳米线的牢固结合以及氮化钛和碳布高的导电性可有效减小降低所得复合材料的内接触电阻，提高电子传输效率；将其用作电解水析氧反应催化剂可表现出较高的催化活性，有望促进电解水工业化发展。

技术领域

属于纳米功能材料技术领域，特别是涉及一种用作电解水析氧反应催化剂的三维分级复合材料及其制备方法。

背景技术

随着经济社会的高速发展，环境污染和化石燃料短缺问题日趋严峻，因此急需开发出清洁可持续能源来替代传统化石燃料。目前，电解水产氢备受关注，因为它可以将太阳能转化成清洁可持续的氢能源。但是在电解水过程中，阳极析氧反应需要更高的过电位，因此该过程对电解水的整体效率具有至关重要的影响。一般认为，钌和铱以及他们的氧化物对电解水析氧反应具有最高的催化活性，但是这些材料的地壳储量都非常有限，导致价格昂贵，难以在工业上大规模应用。因此开发出低成本高活性的过渡金属化合物电解水析氧反应催化剂是促进电解水工业化发展亟待解决的问题。

在众多的过渡金属化合物中，氧化镍因为储量丰富、活性较高、在碱性体系中性质稳定，因而被认为是一种非常有前景的析氧反应催化剂。但是氧化镍本征导电性很低，不利于电荷的高速传输。针对氧化镍导电性差的问题，主要的改性方法是将其与高导电的载体材料复合。如文献(JunWang et al.,Synergistic Effect between Metal–Nitrogen–Carbon Sheets and NiO Nanoparticles for Enhanced Electrochemical Water-Oxidation Performance,Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,10530–10534)将氧化镍复合到氮掺杂的石墨烯片层上制备出一种复合材料，该复合材料在产生10mA/cm²析氧电流所需的过电位为390mV，Tafel斜率为76mV/dec。文献(Fereshteh Chekin,et al.,Nickel oxidenanoparticles prepared by gelatin and their application toward the oxygenevolution reaction,J.Solid State Electrochem.,2014,18,747-753)将氧化镍与碳纳米管复合，该复合材料在施加409mV的过电位时可以产生10mA/cm²析氧电流，Tafel斜率为120mV/dec。与高导电性的载体材料复合可以有效提高氧化镍复合材料的导电性，但是由于氧化镍在这些载体材料中散乱分布，而且这些载体材料自身也是散乱分布，导致复合材料内存在较大接触电阻。此外，传统纳米颗粒析氧反应电催化剂电极制备工艺中，通常将纳米颗粒催化剂修饰在玻与碳电极表面，然后滴加奈酚溶液加以固定，该制备工艺引入了无电化学活性的奈酚，并且阻碍了部分催化剂与电解液的接触，损失了部分电催化活性，同时修饰电极上的活性物质在电解水过程中易脱落造成活性衰减。因此，进一步探索有序排布的氧化镍基复合材料，在电解水析氧等领域具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有技术存在的不足，提供一种氧化镍/氮化钛/碳布三维分级复合材料，氧化镍纳米颗粒暴露出高的电化学活性位点，并牢固地附着在多孔氮化钛纳米线表面，可有效解决纳米颗粒催化剂材料在使用过程中易团聚和脱落从而导致活性降低登问题；同时载体材料氮化钛和碳布高的导电性，可加快电荷的传输，有效解决常规非贵金属电解水析氧反应催化剂活性不高等问题；且涉及的制备方法简单，适合推广应用

为实现上述方案，本发明采用的技术方案为：