[发明专利]一种自支撑碳基TiO2

说明书

本发明公开了一种自支撑碳基TiO₂电催化材料的制备方法及应用，该制备方法包括如下步骤：将膨胀石墨粉末超声清洗、真空干燥；称取膨胀石墨粉末，与钛酸四丁酯、无水乙醇进行混合，得到混合溶液A；将无水乙醇、去离子水、浓硝酸按一定体积比例混合，得到混合溶液B；将混合溶液B逐滴加入混合溶液A中，使两者充分混合均匀，然后将其在20‑40℃下静置一段时间，直至形成凝胶状物质；将形成的凝胶状物质置于烘箱中干燥，得到黑灰色颗粒；将其研磨成粉末，煅烧，最终得到TiO₂/EG催化剂粉末。本发明采用溶胶凝胶法制备电极材料，过程较为简单，且制备过程没有苛刻的条件要求，工艺简单，避免了由于导电剂与粘合剂的加入堵塞电极的空隙，提高了材料的利用率。

技术领域

本发明涉及一种电催化技术领域，特别涉及一种自支撑碳基TiO₂电催化材料的制备方法及应用。

背景技术

随着电催化领域的深入研究及进步，许多研究者已经开发了高活性和高稳定性的催化剂以提高电催化反应的效率，而目前现有的催化剂多为粉末状，这种电极的构建需要聚合物粘合剂等添加剂的帮助，还需要依托载体，限制了催化剂的形貌和结构，不仅减少了材料表面的电化学活性位点，限制了传质，也不利于催化剂的回收利用。因此，直接生长在导电基底上或者形成膜的自支撑电催化材料引起了研究者们的广泛关注。

自支撑电极材料是一种将活性组分以共价键或吸附的形式结合在能导电的基底电极或集流体上的材料，可达到既能传递电子又能活化底物的双重目的。自支撑电极的制备方法也有很多，如溶剂热法、水热法、气相沉积法、退火法以及多种方法相结合的方法，以制备自支撑电极达到研究目的。中国专利CN112391646A公开了一种溶剂热法制备β-Ni(OH)-2电极的方法，以泡沫镍片为基底，以氯化钒和尿素的乙醇溶液为钒源，以十六烷基三甲基溴化铵为形貌调控剂，使Ni(OH)-2垂直排列在泡沫镍片基。中国专利CN109036875A公开了了Zn掺杂Ni-MOF自支撑复合电极及其制备方法和应用，采用气相沉积和溶剂热法制备得到NF/GF/Zn@Ni@MOF自支撑复合电极。以上制备方法操作复杂，成本较高，需要的反应条件苛刻，不适用于大面积投产使用。

碳元素作为一种非金属元素，在自然界中广泛存在。碳材料的性能稳定、结构多样原料广泛等优点被广泛地应用于能源、环境和催化领域，碳材料可以被制成纸、布、膜、毡、泡沫等各种形式的自支撑结构，是构建自支撑电极材料的良好基底。中国专利CN107993849A公开了一种碳纤维负载钴酸镍纳米阵列的柔性电极材料及其制备方法，以碳纤维作为基底，首先使用水热法在碳纤维表面沉积一层碳，提高柔性碳纤维片的强度和活性。再通过简单的水热法在柔性电极表面生长钴酸镍前驱体纳米阵列，经过热处理得到碳纤维负载钴酸镍纳米阵列的柔性电极材料。这种电极材料与导电剂、粘合剂以及溶剂混匀后涂覆与集流体上干燥后压片的方法，不仅制备过程繁琐，且导电剂与粘合剂的加入会增加整个电极的质量，粘合剂的引入也会堵塞电极的空隙，降低材料的利用率，增大它的内阻。

膨胀石墨(EG)作为一种新型功能性碳材料，是一种具有大量多孔的手风琴状结构的物质，膨胀石墨成本低廉，除了具备天然鳞片石墨本身的耐高温、耐腐蚀等优良性能以外，还具有天然鳞片石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性和可塑性，经过一定压力可以成为柔软的石墨纸，为自支撑催化材料的建立提供了依据。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种自支撑碳基TiO₂电催化材料的制备方法及应用，利用膨胀石墨疏松多孔，层间间距较大的特点，将其与TiO₂结合，应用于电催化氧还原(ORR)反应中，TiO₂与膨胀石墨复合可以在电催化中使O₂连续催化为·OH，TiO₂会为O₂提供稳定的吸附位点，从而提高ORR的反应效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种自支撑碳基TiO₂电催化材料的制备方法，包括如下步骤：