[发明专利]一种用于氧析出和氧还原的双功能催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于氧化剂制备技术领域，公开了一种用于氧析出和氧还原的双功能催化剂及其制备方法，取泡沫镍，浸入HCl溶液中，取出用去离子水清洗，然后在烘箱中干燥；将泡沫镍放入含有CoCl₂·6H₂O和NiCl₂·6H₂O的溶液中用循环伏安法在泡沫镍表面沉积氢氧化镍钴复合材料；将经过电沉积之后得到的泡沫镍取出，洗涤后干燥；将泡沫镍与三聚氰胺混合物和硫脲分别置于双区温度控制管式炉的下风口部和上风口部，进行加热。本发明的催化剂在OER中的起始电势为1.52V(vs.RHE)，在ORR中，与20％商业Pt/C作对比，起始电位为0.95V(vs.RHE)，具有更好的甲醇耐受性和稳定性。

技术领域

本发明属于氧化剂制备技术领域，尤其涉及一种用于氧析出和氧还原的双功能催化剂及其制备方法。

背景技术

目前： 氧析出（OER）和氧还原（ORR）反应在电化学转化技术和能量存储（例如水电解和燃料电池）中发挥着至关重要的作用。高活性和稳定的双功能电催化剂是OER和ORR的关键。当前，铱（Ir）和钌（Ru）是OER的最有效电催化剂，铂（Pt）是ORR最有效的电催化剂，但是它们的高成本和稀缺资源阻碍了它们的大规模应用。因此，迫切需要开发低成本的高效耐用的替代产品。因此，已经广泛研究了各种类型的材料，特别是基于过渡金属的催化剂。其中，二元镍钴基催化剂成本低，储量大，在OER和ORR中具有高活性，而裸露的二元镍钴基催化剂的电导率和长期稳定性通常较差。所以如何构建具有增强的催化活性和催化稳定性，尤其是OER和ORR过程中具有奥斯特瓦尔德作用减弱的双功能催化剂仍然具有挑战性。最近的研究证明，过渡金属基纳米颗粒和碳在复合物中的电催化活性可以相互影响。与基于碳表面的裸露过渡金属相比，嵌入的纳米粒子与包覆碳层之间的协同电子相互作用可以改善其局部功函数，从而使得包覆碳纳米粒子的催化活性大大提高，并且其稳定性得以增强，这主要是由于碳材料在催化过程中的协同效应和奥斯特瓦尔德效应的弱化。因此，获得高效催化剂的解决方案是构造碳层包覆的过渡金属纳米颗粒。与传统的块状材料相比，其电子的平均自由程短，并且局部性和相干性得到增强，这使得过渡金属的分布均匀，并增强了纳米结构的表面活性。因此，如何利用纳米或纳米介导来均匀封装过渡金属基碳纳米材料的合成进一步提高其OER和ORR性能至关重要。特别是对于催化剂，控制其结构并保持大量比活性区域和粗糙度因子对于提高电催化效率也是至关重要的。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

（1）二元镍钴基催化剂成本低，储量大，在OER和ORR中具有高活性，而裸露的二元镍钴基催化剂的电导率和长期稳定性通常较差。

（2）如何构建具有增强的催化活性和催化稳定性，尤其是OER和ORR过程中具有奥斯特瓦尔德作用减弱的双功能催化剂仍然具有挑战性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于氧析出和氧还原的双功能催化剂及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种用于氧析出和氧还原的双功能催化剂的制备方法包括：

步骤一，取泡沫镍，浸入HCl溶液中，取出用去离子水清洗，然后在烘箱中干燥；

步骤二，将步骤一的泡沫镍放入含有0.2M CoCl₂·6H₂O和0.1M NiCl₂·6H₂O的溶液中用循环伏安法在泡沫镍表面沉积氢氧化镍钴复合材料；

步骤三，将步骤二经过电沉积之后得到的泡沫镍取出，用水和乙醇洗涤三次，放入烘箱干燥；

步骤四，将步骤三的泡沫镍与三聚氰胺混合物和硫脲分别置于双区温度控制管式炉的下风口部和上风口部，加热到520°C，并在管式炉中保持2小时；然后将温度升至540℃并保持2小时； 最后，将其以3°C min^-1的速率加热到800°C，并保持2 h。