[发明专利]一种异质结构自支撑电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于能源材料的技术领域，公开了一种异质结构自支撑电极材料的制备及其应用。方法：1)首先通过水热反应使MIL‑88A生长在碳布表面2)再通过二次水热反应，将Ni(OH)₂生长在MIL‑88A表面，即完成了异质结构自支撑电极的制备。本发明的方法，简单，成本低廉；所制备的复合材料具有优异的产氧性能，并具有优良的长期稳定性。使用碳布作为自支撑电极弥补了MIL‑88A本征导电性差的缺点，使有机金属骨架发挥最大的催化性能。制备无高温煅烧过程，在不破坏有机金属骨架结构的同时还节约能源，对环境友好，具有工业化前景。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种异质结构自支撑电极材料及其制备方法与应用。所述异质结构材料主要用于催化析氧反应(OER)，该反应主要发生在金属空气电池和水分解中，是一个重要半反应，对金属空气电池与水分解的能量转化效率有重要的影响。

背景技术

析氧反应是金属空气电池、光/电化学水裂解等多种绿色储能和转换装置的基础反应，但由于O-O键的断裂是十分缓慢的动力学过程，因此OER的效率受到了极大的限制。目前，OER催化剂主要以贵金属材料为主，如RuO₂和IrO₂，然而这些材料的活性和稳定性都不能满足水全解设备或可充金属空气电池的发展需要，此外钌(Ru)和铱(Ir)均为贵金属，地壳含量十分有限，成本也高。该类催化剂的长期使用寿命也不是很理想。因此开发地壳含量丰富元素组成的，价格低廉，寿命长的新型OER催化剂作为可充金属空气电池或水全解装置的阴极材料具有重要的现实意义。

过渡金属氢氧化物、氧化物、硫化物和纳米颗粒基复合材料是一类重要的非贵金属析氧催化剂，可通过金属有机骨架(MOFs)衍生的热解或煅烧方法制备。MOFs具有丰富的介孔结构和大量的配位不饱和金属位点，可以通过热活化过程转化成具有高比表面积的电催化剂。目前利用MOFs制备高效复合催化剂用于OER取得了很大的进展,但仍有一些不可避免的问题或瓶颈需要解决。主要在如下几个方面:(1)在热解或煅烧过程中，MOFs良好的拓扑结构将被完全被破坏，而结构决定了性质，因此结构的破坏会一定程度上直接导致活性位点的缺失；(2)直接用于电催化应用的MOFs导电性较差，严重制约了电子的传递过程。在OER过程中主要涉及四电子的传递过程，是一个动力学缓慢的过程，通常具备较高的过电位，但MOF的低导电率极大地限制了OER的进行；(3)与传统催化剂相比，自支撑电极的制备避免了萘酚聚合物膜的使用，减小了催化剂的阻抗，使催化剂与电解质具有更大的接触面积，从而推动了反应的进行。

本发明设计的异质结构自支撑电极材料MIL-88A/Ni(OH)₂，由于两种异质界面间的电荷转移效应，导致MIL-88A带有更多的正电荷，因此更容易吸附电解质溶液中的OH^-，其次由于外加电压和电荷补偿效应，诱导了部分高价Fe系物的产生，而高价Fe已证实为OER反应活性中心，这样就能为OER持续不断的提供活性位点。本发明的异质结构自支撑电极材料MIL-88A/Ni(OH)₂主要有以下几种优点：(1)材料不含有贵金属(Ru,Ir等)，制备成本极其低廉；(2)制备过程简单，且可以量产；(3)使用碳布作为自支撑电极弥补了MIL-88A导电性差的缺点，使有机金属骨架能够发挥最大的催化性能；(4)制备无高温煅烧过程，在不破坏有机金属骨架结构的同时还节约能源，对环境友好；(5)异质结构自支撑电极材料MIL-88A/Ni(OH)₂-CC具有优异的OER性能，可作为水全解装置和金属空气电池阴极材料，且具有工业化生产的前景。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种异质结构自支撑电极材料的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备得到的异质结构自支撑电极材料。

本发明再一目的在于提供上述异质结构自支撑电极材料在催化析氧反应中的应用。