[发明专利]基于过渡金属异质层状结构双功能催化电极及制备方法

说明书

基于过渡金属的异质层状结构双功能催化电极及其制备方法，将具有析氢反应(HER)催化性能的过渡金属合金和具有析氧反应(OER)催化性能的过渡金属氢氧化物分步生长合成了层状复合结构材料，以负载过渡金属合金的泡沫镍为载体，控制载体表面原位生长过渡金属氢氧化物，构成具有双催化功能的碱性电解水催化电极。本发明将分别具备HER、OER催化活性的组分分步生长，合成具有双催化功能的催化电极，其制备过程简单、制备方法通过调节过渡金属种类以及含量、沉积时间、溶剂热温度及时间调控合成双催化电极性能，高效快速低成本制备高稳定性、高催化活性的催化电极。本发明无需使用粘结剂，稳定性高，绿色无污染，可应用于大电流密度下碱性电解水高效电催化。

技术领域

本发明属于电解水电极制备技术领域和催化材料领域，特别涉及到一种基于过渡金属的异质层状结构的双功能催化电极的制备方法。

背景技术

作为一种重要的制氢方式，电解水制氢能够与可再生能源发电技术耦合，解决可再生能源发电的波动不连续性，同时为氢能清洁制取提供持续方案。电解水制氢主要由阴极析氢反应（HER）以及阳极析氧反应（OER）两个半反应组成。但是两个反应均存在动力学势垒，通过高活性的催化剂的应用可以有效的降低反应势垒。设计制备具有双催化功能的催化电极可以有效地解决电解槽中装配两种催化剂导致的系统复杂，成本增加等问题。

目前商业应用Pt和Pt基材料、IrO₂和RuO₂催化剂，分别对HER、OER具有优异的催化活性，但是其单独应用全解水，双催化性能很差，且贵金属材料的高制备成本以及低储量严重限制了其进一步发展。为了提高催化剂材料的催化性能以及满足电解槽双催化功能的需求，开发设计工艺简单、成本低廉、性能优异的具有双功能催化作用的催化剂材料显得尤为重要。

目前，具备双催化功能的催化剂的设计没有明确的指引，现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN2021101807111，公开号：CN112981442A，公开了一种用于碱性全解水的FeCoMoPC系非晶合金及其制备方法，通过对在酸性条件下具备析氢活性的FeCoPC系非晶合金进行原子百分数调控及Mo掺杂，从而使得FeCoMoPC系非晶合金在碱性条件下具有全解水性能，但是其调控过程限制诸多，全解水性能具有一定的偶然性。现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN2020111132989，公开号：CN 112226780 A，公开了一种用于全解水的NiCo₂S₄/氮、硫共掺杂还原氧化石墨烯双功能电催化剂的制备方法，其制备过程需要使用98%的浓硫酸，并在油浴加热条件下搅拌操作，制备过程危险系数高，不利于产业化应用。现有技术，如中国专利申请，其申请号：CN2018114523366，公开号：CN 109550502A，公开一种Ni-W-O纳米片包裹钼酸镍棒状异质结以及制备方法和用途金属碲化物作为双功能电解水催化剂的制备方法，通过对过渡金属氧化物进行元素掺杂进而调控构筑异质结构，从而设计出碱性条件下具有双催化功能的NiWO包覆的NiMoO₄异质结催化剂，但是该方法所制备的双功能催化剂稳定性不足，产业应用前景较差。

现有技术没有明确提出通过分步生长的方式复合单一催化功能的催化剂从而得到异质层状双功能催化剂的方法，且已有双催化功能催化剂制备方法具有明显局限性，仅适用于所提及的催化剂的制备，但是实验室研究阶段所制备的催化剂应用到大规模产业应用还需要实验研究及参数优化。因此，明确一种选择性高、适用性广的双功能全解水催化剂及电极的制备方法对电解水制氢技术领域的发展具有重要意义。

发明内容