[发明专利]一种用于高效电解水的自支撑电极及制备方法

说明书

本发明属于电催化领域，涉及一种用于高效电解水的自支撑电极及制备方法。本发明中在碳布上负载了Cu_0.92Co_2.08O₄催化剂，由铜钴氧纳米线自组装成漂亮的空心纳米花形貌，实现了纳米花形貌的精确调控，纳米线组成的空心纳米花三维结构有利于增大电解液接触面积，构筑了催化剂与导电基底之间快速的电荷转移通道，从而实现了高效OER催化性能。

技术领域

本发明属于电催化领域，涉及一种用于高效电解水的自支撑电极及制备方法，特指一种在碳布上直接生长的Cu_0.92Co_2.08O₄纳米花阵列及制备方法及其在电化学析氧反应中的应用。

背景技术

电化学过程中阳极析氧反应(OER)相对较高的过电位限制了水分解产氢的整体效率，而目前使用的Ir基和Ru基贵金属催化剂，如氧化铱和氧化钌虽然具有好的OER催化效率，然而贵金属资源的稀缺性和昂贵性阻碍了其大规模应用。

基于地球储量丰富的过渡金属OER催化剂被广泛探索，如过渡金属硫族化合物、磷化物和氧化物等，其中，尖晶石型钴基氧化物(MCo₂O₄、M为过渡金属)具有良好的导电性，双金属原子的协同效应和结构稳定性使其成为分解水的有效且耐用的电催化剂，在电解水领域得到迅速发展，但依然存在过电位较高，催化性能不稳定等问题。当前，研究人员通过在导电基底上生长钴基尖晶石氧化物纳米阵列制备复合材料作为自支撑电极催化OER，进一步提高了钴基尖晶石氧化物的催化性能，但对生长的氧化物形貌控制不够精细，阻碍了自支撑电极催化性能的进一步提高。

针对现有技术的进一步改进需求，本发明提供了一种在碳布上生长形貌可控的钴基尖晶石纳米花复合材料的简易制备方法，一方面利用碳布的良好导电性加快催化剂和导电基底间的电荷传输，同时稳定催化剂，另一方面由纳米线自组装的形貌可控的空心尖晶石纳米花具有优异的三维结构，可以暴露更多的活性位点，增大与电解液的接触面积，从而进一步提高自支撑电极的OER催化性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳布上负载形貌可控的Cu_0.92Co_2.08O₄空心纳米花OER催化剂及制备方法。Cu_0.92Co_2.08O₄空心纳米花的结构是由规则的纳米线自组装成直径为5～12μm规则三维空心结构，并在碳布上形成了纳米阵列。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种用于电解水阳极OER的高效催化剂，具体是一种在碳布(Carbon Cloth，CC)上生长的具有空心纳米花结构的铜钴氧化物Cu_0.92Co_2.08O₄(Cu_0.92Co_2.08O₄/CC)自支撑电极，其制备方法包括以下步骤：

(1)碳布的预处理：将原材料碳布裁剪成长方形，依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗去除碳布表面杂质；随后，将清洗后的碳布置于硝酸中，在超声条件下氧化处理进一步提高碳布表面的亲水性。

(2)分别称取六水合硝酸钴、氟化铵和尿素依次搅拌溶解于去离子水中，室温磁力搅拌均匀，得到溶液1。

(3)称取三水合硝酸铜加入至步骤(2)所得溶液1中，继续搅拌至混合均匀得到水热反应前驱体溶液；

(4)将步骤(3)中配置好的水热反应前驱体溶液转移至高压反应釜中，随后，将步骤(1)中预先处理好的碳布浸入上述溶液中，将反应釜放入烘箱中于100～150℃下水热处理5小时；