[发明专利]NiO/Co3

说明书

本发明公开了一种基于泡沫镍生长的氧化镍‑四氧化三钴(NiO/Co₃O₄)复合电极材料的制备方法。其工艺为：首先以硝酸镍和尿素为原料，氟化铵为形貌控制剂，泡沫镍为基底，通过水热法制备出氧化镍的前驱体；将该前驱物在空气中低温退火得到纯的NiO；然后再以该氧化镍为基底材料，加入乙酸钴溶液和氨水，进行第二步水热反应得到生长在泡沫镍基底上的NiO/Co₃O₄两相复合电催化剂材料。本发明使材料中出现了很多利于催化反应的界面及缺陷，相较于单相催化剂，大大提高了催化活性。同时，泡沫镍基底的使用可以免去电催化过程中导电剂和粘接剂的加入，简化了催化反应的实施过程，也降低了电极阻抗。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域及电催化领域，具体涉及一种用于析氧电催化剂的NiO/Co₃O₄复合物的制备方法。

背景技术

传统化石能源不可再生，且其产物造成了严重的环境污染，因此，寻找新一代的清洁能源，实现其可持续发展，是能源储存和转换领域的新课题。在众多新能源产能装置中，电解水是一种十分具有发展前景的获得清洁新能源的有效途径。析氧反应作为水分解系统的半反应之一，是一个复杂的多电子过程，其缓慢的动力学速度极大地阻碍了整个水分解反应的效率。因此需要催化剂来加速反应，降低能耗。目前，对于析氧反应催化活性较高的是Ir，RuO₂等贵金属基材料，但这些材料费用高昂，在地球上储量稀少，难以投入大规模应用。因此，开发非贵金属基储量丰富，廉价的高效催化剂来代替贵金属催化剂仍然是一项巨大的挑战。

近几十年来，过渡金属族化合物由于其特殊的电子结构被报道具有高效的催化活性。其中，过渡金属氧化物结构稳定，价格低廉，合成过程简单可控，催化效率优越，十分适于电催化析氧反应。NiO是过渡金属氧化物中的杰出代表，受到许多科研人员的青睐。许多人致力于通过各种方法来进一步提升NiO的催化活性,包括掺杂和微观形貌调控。另外，复合是一种常用的提高电催化活性的有效手段。Xi教授课题组制备了NiO/CoN的复合催化剂，在析氧反应中，获得10 mA/cm²的电流密度仅需300 mV过电位，表现出优异的催化活性，并应用于锌-空气电池的研究。J. C. Ho教授课题组合成了NiO/CeO₂复合催化剂，在10 mA/cm²的电流密度处所需析氧过电位为382 mV, 比纯的的NiO和CeO₂的催化效率都有很大提高。N. Mahmood等研究人员将Co₃O₄与NiO共同负载生长在氮掺杂纳米带上，得到NiO/Co₃O₄@NC复合材料。跟碳基材料复合大大减小了反应过程中的电子传输阻力，反应能垒降低，当电流密度达到10 mA/cm²时，过电位仅为240 mV。但是不足之处在于NiO和Co₃O₄零散地生长在纳米带上，这两者之间并没有形成很好的界面，碳纳米带很好地提高了导电性，但对活性位点的贡献却很少，因此在较高的电流密度下仍然需要较高的过电位来推动反应的进行，展现出塔菲尔斜率为73 mV/dec。由于是粉末样品，在催化反应中需要添加粘合剂并涂覆于电极表面，操作复杂而且会牺牲一部分性能。这些报道皆说明将两种或多种催化材料复合为一体可以有效地提高催化剂的催化活性，但复合结构中各相材料的选择至关重要，而且具体复合结构的设计将影响整个催化剂最后的催化效率。

发明内容