[发明专利]一种钴钒基自支撑电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种钴钒基自支撑电极及其制备方法和应用，属于电解水制氢技术领域。本发明采用氯化钴和偏钒酸铵分别作为钴和钒的来源，通过一步水热法在导电基底上合成了具有珊瑚状纳米阵列前驱体，并通过后续氮化处理得到CoN/VN@NF自支撑电极，避免了通过后涂工艺以及添加粘合剂和导电剂将催化剂附着在电极上的后续处理，简化了电极制备工艺，降低了成本，并且基底材料为泡沫结构可以铆合和分散催化剂，实现活性组分的高负载，从而提供丰富的催化位点。本发明得到的电极具有良好的析氢活性和稳定性，特别当电流密度增大时，其析氢活性越来越趋近于商业Pt/C，具有大规模生产的潜力。

技术领域

本发明涉及一种钴钒基自支撑电极及其制备方法和应用，属于电解水制氢技术领域。

背景技术

碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。要达到碳中和，一般有两种方法：①是通过特殊的方式去除温室气体，例如碳补偿；②是使用可再生能源，减少碳排放。

氢能作为一种清洁能源，具有能量密度高，不受地形限制，燃烧产物无污染等特点，被认为是有吸引力的下一代能源。由于地球上拥有丰富的水资源，所以通过电解水制氢是一项很有前景的制氢手段。现有析氢性能最好的仍然是铂族贵金属催化剂，但是过高的成本限制了其在工业上的应用。

发明内容

本发明为了解决现有上述技术问题，提供一种低成本、高效率、高稳定性的用于高效分解水的钴钒基自支撑电极及其制备方法。

本发明的技术方案：

一种钴钒基自支撑电极的制备方法，该方法为通过水热法在导电基体上合成含有钴和钒、具有珊瑚状纳米阵列的前驱体，然后通过氮化处理得到钴钒基自支撑电极，简称CoN/VN@NF。

进一步限定，珊瑚状纳米阵列由纳米片堆叠而成，纳米片厚度为20～30nm。

进一步限定，导电基体为泡沫镍。

进一步限定，该方法包括以下步骤：

(1)泡沫镍的预处理：去除泡沫镍的有机涂层和氧化层，超声水洗至中性后烘干备用；

(2)合成珊瑚状纳米阵列前驱体：采用氯化钴和偏钒酸铵分别作为钴源和钒源，通过水热法获得珊瑚状纳米阵列前驱体；

(3)氮化处理：将步骤(2)得到的珊瑚状纳米阵列前驱体置于管式炉中，通入氮气，并以2～5℃/min的速率升温至500～700℃，保温处理1～3h，然后以1～5℃/min的速率降温至室温，得到CoN/VN@NF。

进一步限定，步骤(1)的具体操作过程为：将泡沫镍在丙酮溶剂中超声处理10～30min，除去表面的有机涂层；然后在2mol/L的盐酸溶液中超声3～5min，除去氧化层；最后在去离子水中超声洗涤直至pH为中性，并在40～60℃烘干备用。

进一步限定，步骤(2)的具体操作过程为：将氯化钴和偏钒酸铵溶于50～100ml去离子水中，并用酸溶液调节pH至3～6，获得反应溶液，然后将反应溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，并将经过步骤(1)处理的泡沫镍放入反应溶液中，在140～200℃下反应6～10h，反应结束后降至室温，使用去离子水和无水乙醇依次分别冲洗3～5次，最后在40～60℃烘干，得到珊瑚状纳米阵列前驱体。

进一步限定，氯化钴和偏钒酸铵的质量比为1：(2～4)。

进一步限定，酸溶液是摩尔浓度为1～3mol/L的硝酸溶液、硫酸溶液或盐酸溶液。

进一步限定，步骤(3)中氮气流速为20～50mL/min。

上述方法制备的钴钒基自支撑电极用于高效分解水。

本发明有益效果：