[发明专利]一种钽钨共掺的针状析氧催化剂

说明书

本发明以铜网为基底，设计了铜钴针状纳米阵列，并通过原子半径较大的钽钨作为杂原子掺杂进针状铜钴的晶格中，大大提升催化剂的导电性，有利于羟基的吸附和氧气的脱附，对电解水的发展具有重要意义。另外，并发明制备的催化剂材料在中性电解PBS中的析氧催化活性也较高。本发明通过廉价金属网代替泡沫结构的基底材料，不仅降低了催化剂的生产成本，而且减少气阻，可以大电流放电。本发明制备催化剂为自支撑催化剂，没有使用粘结剂和导电剂，提高材料的催化活性。

技术领域

本发明属于电化学催化剂制备技术领域，涉及一种析氧催化剂，具体为一种钽钨共掺的针状析氧催化剂。

背景技术

随着化石燃料消耗殆尽，能源危机日益严重，人们也更加重视对可再生能源的发展。从上世纪70年代初以来，氢气就一直被看作理想能源，氢气在已知燃料中能量密度最高，并且还是二氧化碳零排放的清洁能源。电解水还可以得到人类生存所必需的氧气。

我们的地球上有丰富的水资源，如果能利用风能、太阳能等可再生能源发电，直接电解水就可以制备大量的清洁燃料，能够很好的缓解能源危机。电催化水分解包括涉及2电子转移的阴极析氢反应(HER)过程与4电子转移的阳极析氧反应(OER)过程。HER反应过程的理论平衡电位为0V，OER反应过程的理论平衡电位则为1.23V。因此，通常情况下OER反应过程比HER反应过程的发生更加困难。在碱性体系中由于反应物OH^-离子浓度高、非贵金属基催化剂的稳定性更好、OER反应的发生不需要经过初始H₂O分子解离步骤，使得电催化剂在碱性体系中的OER反应性能比在酸性条件下高几个数量级。因此，碱性体系中的OER反应过程更具有实际研究意义。

在碱性电解液中，Ir、Ru基氧化物具有优异的OER催化反应性能。然而，Ir、Ru基氧化物由于价格昂贵、地壳储量稀缺、催化稳定性差，限制了其大规模工业应用。基于此，研究开发价格低廉、地壳储量高、稳定性好的非贵金属基OER催化剂是当前电催化水分解领域的研究热点与前沿。3d过渡金属氧化物具有适宜的OER反应中间体吸附能，是理想的OER电催化剂之一。然而，3d过渡金属氧化物也具有导电性差、对OH^-离子的吸附强度弱等缺点，其OER本征催化活性有待进一步提升。尤其是在大电流密度下，目前3d过渡金属氧化物的OER催化性能远远不能满足工业条件下水分解电极的要求。

通过杂原子掺杂策略可以调控3d过渡金属氧化物的电子结构，有望改善3d过渡金属氧化物的导电性，并且使其对OH^-离子的吸附能力增强，同时优化金属活性中心对含O中间体OH、OOH等的吸附强度，从而实现3d过渡金属氧化物OER本征催化活性的提升。

本发明以铜网为基底，设计了铜钴针状纳米阵列，并通过原子半径较大的钽钨作为杂原子掺杂进针状铜钴的晶格中，大大提升催化剂的导电性，有利于羟基的吸附和氧气的脱附，对电解水的发展具有重要意义。另外，并发明制备的催化剂材料在中性电解PBS中的析氧催化活性也较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种在廉价磷铜网上生长针状铜阵列，之后生长Co、Ta、W的方式，提出一种钽钨共掺的针状析氧催化剂的制备方法：其具体包括以下步骤：

S1、将直接购买的磷铜网一次放入3MHCl和无水乙醇中超声清洗20-40min；

S2、以磷铜网作为阳极，以铁片为阴极，在1-2mol/L的NaOH或KOH中生长Cu(OH)₂针状阵列，为了制备出比表面积更大的针状铜，本发明在阴阳极之间通入10-20mAcm^-2的电流，反应离子式为Cu-2e^-+2OH^-→Cu(OH)₂。