[发明专利]一种定向多孔单原子碳膜电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种定向多孔单原子碳膜电极及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：(1)将氧化多壁碳纳米管、钴盐溶解于溶剂中，得到前驱体溶液；(2)将前驱体溶液进行水热自组装，得到水凝胶；(3)将水凝胶切成膜，然后进行单向冷冻，得到定向多孔水凝胶膜；(4)将定向多孔水凝胶膜进行冷冻干燥，得到定向多孔气凝胶膜；(5)将定向多孔气凝胶膜碳化，即得Co‑N‑C修饰的定向多孔单原子碳膜电极。该定向多孔单原子碳膜电极具有高活性和高稳定性，能在大于1000mAcm^‑2的电流密度下产氢，实现大电流、高稳定性制氢。

技术领域

本发明涉及定向多孔碳膜电极技术领域，具体而言，涉及一种定向多孔单原子碳膜电极及其制备方法和应用。

背景技术

氢气是一种清洁和可再生的能源载体，在现有的产氢方法中，电化学还原水产氢(HER)具有清洁、可持续性和产氢纯度高的优点。HER产氢的效率依赖于高性能的电催化剂，Pt催化剂的活性最大，但其成本高、丰度低，限制了其大规模应用。因此，开发丰度高、价格低廉的元素为替代催化剂势在必行。

单原子催化剂(SACs)是活性位点以单金属形式分散在特定载体上形成的催化剂，其具有均相和非均相催化剂的综合优点。M-N-C材料作为一类独特的单原子催化剂，由于可取代Pt进行析氢反应而引起人们的关注。

然而，很少有人尝试开发能够提供工业相关电流密度(大于500mAcm^-2甚至1000mAcm^-2)的HER催化剂。已报道的M-N-C材料(以及其他类型的SACs)的HER催化剂大多是在低电流密度(＜200mAcm^-2)进行反应的。

在工业应用的高电流密度下，单原子M-N-C材料作为大电流密度下的产氢电极存在以下挑战：

(1)活性位点数量有限。为了防止金属团聚，单原子催化剂所用的金属量少，所以提供的活性位点数目有限。

(2)负载量低。单原子HER催化剂材料大多以粉末形式合成，催化剂负载量通常小于1mg cm^-2，因为负载量过大，过厚的电极会受到电荷(电子和离子)输送不足以及龟裂和分层问题的困扰。

(3)气泡不易脱落。在高电流密度下，产氢速率高，电解液中反应物和气体产物的传质速度越来越受到限制，电极表面产生的H₂气泡不易脱落严重阻塞电极与电解液的接触，进而阻碍反应进行。且产生的H₂气泡易聚集成大气泡黏附在电极上，当大气泡脱落时，强烈的粘附力也可能导致电极材料脱落。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种定向多孔单原子碳膜电极及其制备方法和应用，该定向多孔单原子碳膜电极具有高活性和高稳定性，能在大于1000mAcm^-2的电流密度下产氢，实现大电流、高稳定性制氢。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种定向多孔单原子碳膜电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化多壁碳纳米管、钴盐溶解于溶剂中，得到前驱体溶液；

(2)将前驱体溶液进行水热自组装，得到水凝胶；

(3)将水凝胶切成膜，然后进行单向冷冻，得到定向多孔水凝胶膜；

(4)将定向多孔水凝胶膜进行冷冻干燥，得到定向多孔气凝胶膜；

(5)将定向多孔气凝胶膜碳化，即得Co-N-C修饰的定向多孔单原子碳膜电极(Co-NC-AF膜电极)。

本发明通过将氧化多壁碳纳米管和钴盐进行水热自组装得到水凝胶，水凝胶膜通过单向冷冻得到定向多孔水凝胶膜，然后将定向多孔水凝胶膜冷冻干燥得到定向多孔气凝胶膜，再将定向多孔气凝胶膜碳化得到Co-N-C修饰的定向多孔单原子碳膜电极Co-NC-AF。