[发明专利]一种用于碱性电解水的金掺杂铜基电极的制备方法和应用

说明书

一种用于碱性电解水的金掺杂铜基电极的制备方法和应用，其属于电化学储能材料的技术领域。泡沫铜在管式炉中进行氧化，经氯金酸钠溶液进行金掺杂，最后经冲洗、干燥，得到金掺杂铜基电极。在标准三电极体系中，金掺杂铜基电极直接作为工作电极置于1 M Na₂CO₃电解液中，进行碱性条件下的电催化析氧反应。该制备方法，操作简单易行，无需后续的高温处理，易于大规模生产。该金掺杂铜基电极具有优异的OER活性以及良好的循环稳定性，在电催化析氧反应和能量转换方面具有明显的优势，OER过程中电极有较小的过电位且具有优异的电化学稳定性。

技术领域

本发明属于电化学储能材料的技术领域，技术涉及氧化铜纳米立方体的制备以及后处理方法，基于金掺杂的氧化铜原位生长在泡沫铜上得到高活性高导电性的电催化剂。

背景技术

伴随人类社会的快速发展，人口数量的急速上升，世界各国对于能源的需求大幅上升。传统的化石能源属于不可再生资源，在大量的开采过程中几乎枯竭，无法支持人类社会的需求。同时，大量化石燃料消耗严重污染了环境，促使人们对寻求清洁、可再生和可持续的替代品产生了重大的研究兴趣。氢能被认为是化石能源最有潜力的能源载体替代者之一。电化学水分解是生产新型清洁氢燃料的一种很有前景的策略。目前，钌和铱基催化剂已被确定为最高效的水分解电催化剂，但其稀缺性、高成本和低稳定性严重限制了它们的应用。因此，开发新型电催化剂，对于实现水电解技术的大规模商业化具有重要意义。

为了缓解全球能源和环境危机，对用可再生能源取代化石能源的需求很大。氢作为一种清洁可再生能源，受到极大的关注，可以通过水的光解或电解产生。水的电解反应包括两个半反应：析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。由于OER电催化在水分解中的核心作用，近年来对其进行了广泛的研究。因为氧分子是通过几个质子/电子耦合产生，所以OER涉及一个缓慢的动力学过程。因此，可再生能源对OER高效催化剂的开发需求很大。近年来，铁、钴、镍基等金属氧化物和氢氧化物OER催化剂得到了广泛的研究。与铁、钴、镍基OER催化剂相比，铜基材料是一种很有前途的OER催化剂，但催化活性较低。据报道，由于金和过渡金属氧化物之间的电子相互作用，将金等惰性贵金属掺杂到过渡金属氧化物中能够改善过渡金属氧化物的OER催化性能。

发明内容

根据上述提出的技术问题，本发明的目的在于开发一种原料廉价易得且具有工业化开发前景的新型金掺杂的铜基自支撑电极。

本发明采用的技术方案为：一种用于碱性电解水的金掺杂铜基自支撑电极，该电极通过电化学置换反应在泡沫铜基底上生长有Au-CuO_x纳米立方体，纳米立方体的大小为0.1um-1um，Au处于Au-CuO_x纳米立方体的中心，Au在电极表面占比为3-8%。

该电极通过两步反应依次将泡沫铜基底氧化、通过电化学置换反应在泡沫铜表面生长Au-CuO_x纳米立方块。

一种用于碱性电解水的金掺杂铜基自支撑电极的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）前处理泡沫铜，干燥备用；

（2）将泡沫铜置于管式炉中，280-350℃条件下氧化，氧化后冷却、取出；

（3）氯金酸钠水溶液加入到等体积混合的乙醇和水溶液中，超声得到氯金酸钠溶液；将氯金酸钠溶液置于反应容器中，并将氧化泡沫铜垂直放入，在50-60 ℃下保持2-4小时；

所述氯金酸钠溶液的浓度为0.1-0.8mM；

（4）自然冷却后，将泡沫铜取出并用去离子水和乙醇冲洗，干燥；得到金掺杂铜基自支撑电极。

所述前处理泡沫铜为在稀 H₂SO₄中浸泡后，依次在丙酮、去离子水和无水乙醇中超声洗涤。

泡沫铜置于管式炉280-350℃并保持0.5-1.5小时，升温速率8-10 ℃/min。

所述电极应用于电催化水分解析氧反应。