[发明专利]一种自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料，其包括：导电基体；活性材料层，为自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片，其锚定所述导电基体表面，且其呈一定交叉角度支撑向外伸展。本发明还公开了所述自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料的制备方法和用于工业化大电流密度下的电解水制氢和产氧的用途。本发明的自支撑超薄掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料用于电解水活性能够实现500mA/cm²以上的电解水电流密度活性，循环稳定性好。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料、其制备方法及其应用。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭和环境污染问题的日益加剧，发展以氢能为代表的清洁能源受到越来越多的关注。太阳能、水能、地热能、风能、核能等能源转换为电能的体系发展较为完善，在此基础上发展电催化分解水生产氢气的相关技术和设施，是替代当前以化石燃料为核心储能物质的能量利用体系的理想方式。但当前电解水的商业催化剂以氧化铱、氧化钌和铂等贵金属催化剂，成本较高，且涂敷的贵金属氧化物层长时间使用会脱落失活。开发廉价高效电催化分解水的非贵金属催化剂成为氢能发展的核心之一。

当前研究较多的非贵金属电解水催化电极材料中，金属氢氧化物尤其层状金属氢氧化物以其较低的成本、较大的反应活性面积、可调的电子结构，在分解水催化活性、耐久性方面正趋接近甚至超越贵金属等商业催化剂，颇具应用潜力。公开号为CN108707923A的专利报道了一种以尿素和石墨烯为形貌调节剂和导电助剂，在泡沫镍表面水热生长氢氧化镍，然后离子交换得到自支撑镍铁氢氧化物/还原氧化石墨烯复合电化学析氧催化剂的方法，但其制备方法工艺流程长难以规模化生产。公开号为CN108855102A的专利报道了一种一步水热法制备得到到二维的层状Co掺杂Zn(OH)₂纳米片的方法，但该制备方法条件苛刻，掺杂量难以调控，也无法规模化制备。公开号为CN105154950A的专利报道了一种电沉积方法制备层状金属复合氢氧化物的结构复合材料的工艺，但其制备的层状复合氢氧化物为微米级别，颗粒较大，生长的多层是相互交盖的，活性材料层的面积较少，且电解液要求较高、批量生产困难。

因而，目前大面积制备高活性自支撑超薄掺杂金属氢氧化物电极材料仍处于研究之中。

发明内容

针对当前存在的问题，本发明提供了一种自支撑超薄掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料，及其室温下空气氧化水解大面积制备的方法。该电极材料成本低、稳定性较好，活性成分可调，适合适用于工业化大电流密度电解水应用。其制备方法简单，适合批量生产。

本发明第一方面公开了一种自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料，其包括：导电基体；活性材料层，为自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片，其锚定在所述导电基体表面，且其呈一定交叉角度支撑向外伸展。其中锚定为自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片通过表面化学反应生长在导电基体表面，其与导电基体之间有化学键合作用，相较于活性材料层涂敷在基底表面更结实，不易脱落。其中自支撑为掺杂金属氢氧化物纳米片呈一定交叉角度支撑向外生长伸展延伸，纳米片多层之间不是相互交盖的、不会团聚，结构稳定，提高了活性材料层的面积(见说明书附图2)，可以适用于工业化大电流密度电解水应用。该自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片电极材料具有优异的亲水性，其三维结构提供了良好的电解水三相反应通道界面，能够同时催化电解水产氢和产氧两个半反应，同时能够在大电流密度下长时间使用，循环稳定性好，降低了电解能耗。

优选地，所述自支撑掺杂金属氢氧化物纳米片的厚度为0.5～100nm，其组成为A_xM_yN_z(OH)_n，其中M、N为金属离子且至少一种为二价金属阳离子，A为掺杂金属离子；x为0.01-0.33，y为0-0.99，z为0-0.99，n为1.0-4.0。