一种分等级结构电催化材料及其制备方法和应用

本申请属于电化学能源材料，更具体地说，是涉及一种分等级结构电催化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、一直以来，地球上的能源问题都在困扰着我们，而近年来，环境问题也变得越来越严重。因此，传统能源被可再生清洁能源(如氢气、太阳能、风能等)取代是不可避免的。氢气具有较高的能量密度，是清洁能源发电领域极具吸引力的候选者。

2、电化学水裂解包括两个半反应，即析氢和析氧反应。然而，析氧反应被认为是整体水裂解的主要瓶颈，因为它在动力学上调控复杂，涉及更高的能量中间体和多个质子耦合电子转移步骤。而目前研究较多的是析氢反应催化材料，对于析氧反应电催化剂，特别是在大电流密度下，设计合成具有高析氧活性且持久的析氧反应电催化材料是刻不容缓的，也具有挑战性。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种分等级结构电催化材料及其制备方法和应用，本申请的电催化材料通过铱纳米颗粒与镍铁纳米片的电子转移和分级结构设计可以大大降低铱的负载量，极大地减低了材料成本，同时相比于工业上用的雷尼镍，该复合电催化材料具有更优异的大电流密度析氧性能。

2、为实现上述目的，本申请的第一方面，提供了一种分等级结构电催化材料的制备方法，包括以下步骤：

3、制备负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线；

4、将所述氢氧化铜纳米线还原成铜纳米线，得到负载于泡沫铜的铜纳米线；

5、在所述铜纳米线上负载镍铁纳米片，得到铜纳米线负载镍铁纳米片材料；

6、在所述铜纳米线负载镍铁纳米片材料上负载铱纳米颗粒，得到分等级结构电催化材料。

7、进一步地，所述负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线通过以下方法制备：将泡沫铜浸泡在过硫酸盐和氢氧化物的混合溶液中，所述过硫酸盐和所述氢氧化物的摩尔比为1-3：15-20。

8、进一步地，还包括对泡沫铜的前处理步骤：将泡沫铜浸入稀盐酸进行前处理，然后用水充分清洗至中性，稀盐酸质量分数为5-10wt％。将经过前处理后的泡沫铜浸泡在过硫酸盐和氢氧化物的混合溶液中以制备负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线。

9、进一步地，所述过硫酸盐为过硫酸铵，所述氢氧化物为氢氧化钠。

10、进一步地，所述氢氧化铜纳米线还原通过以下方法进行：将所述负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线在空气中煅烧，之后进行电化学还原得到；所述煅烧温度为100-300℃，时间为0.5-3h。当空气煅烧温度达到100-300℃时，泡沫铜表面的氢氧化铜会受热分解为cuo(cu(oh)2→cuo+h2o)，该氧化铜可进一步被电化学还原成铜。

11、进一步地，所述电化学还原在含碳酸氢钾的电解液中进行，碳酸氢钾浓度为0.1-1mol/l，电化学还原的时间为2000-5000s。

12、进一步地，所述铜纳米线上负载镍铁纳米片通过以下方法制备：将所述负载于泡沫铜的铜纳米线置于含铁盐和镍盐的电解液中，通过电化学沉积得到。

13、进一步地，所述铁盐为硫酸亚铁，所述镍盐为硝酸镍，所述铁盐和所述镍盐的摩尔比为1-3：1-3；电化学沉积的时间为10-100s。

14、进一步地，所述铱纳米颗粒的负载通过以下方法进行：将所述铜纳米线负载镍铁纳米片材料浸入含三氯化铱和氢氧化钾的电解液中，通过电化学沉积得到。

15、进一步地，所述三氯化铱的浓度为10-100μmol/l，所述氢氧化钾的浓度为0.1-2mol/l；电化学沉积的时间为500-7000s。

16、本申请的第二方面，提供了一种分等级结构电催化材料，采用上述任一项所述的制备方法得到。

17、本申请的第三方面，提供了一种分等级结构电催化材料在电解水中的应用。

18、进一步地，应用在温度为室温、电解质为1mol/l的氢氧化钾溶液中，进行大电流密度下的电催化析氧反应。

19、与现有技术相比，本申请具有以下的技术效果：

20、本申请的一种分等级结构电催化材料的制备方法通过在泡沫铜上生长铜纳米线，以及在铜纳米线上生长镍铁纳米片，这可以增大附着面积和加快传质，而且有利于铱金属纳米颗粒的分散性。通过铱纳米颗粒与镍铁纳米片的电子转移和分级结构设计可以大大降低铱的负载量，极大地减低了材料成本，同时相比于工业上用的雷尼镍，该复合电催化材料具有更优异的大电流密度析氧性能。本申请的制备方法合成周期短，也不需要水热反应和高温处理，合成过程工序简单、操作方便、重复性可靠，生产成本低廉，非常适合于规模化工业生产。

21、本申请的一种分等级结构电催化材料中的镍铁纳米片结构，由于其大的暴露表面和有效的质量扩散，结合独特的片层结构会促进界面处水分子的转移和气态物质的扩散，而且还会对活性位点的暴露产生积极的影响。在大电流密度下，具有支撑骨架的纳米片能够加速电解质的渗透和氧气气泡的扩散，提高析氧反应性能。此外，将镍铁纳米片与铱纳米颗粒耦合可进一步提高复合电催化材料的电子性能和析氧活性。

技术特征：

1.一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线通过以下方法制备：将泡沫铜浸泡在过硫酸盐和氢氧化物的混合溶液中，所述过硫酸盐和所述氢氧化物的摩尔比为1-3：15-20。

3.如权利要求1所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述氢氧化铜纳米线还原通过以下方法进行：将所述负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线在空气中煅烧，之后进行电化学还原得到；所述煅烧温度为100-300℃，时间为0.5-3h。

4.如权利要求3所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述电化学还原在含碳酸氢钾的电解液中进行，碳酸氢钾浓度为0.1-1mol/l，电化学还原的时间为2000-5000s。

5.如权利要求1所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述铜纳米线上负载镍铁纳米片通过以下方法制备：将所述负载于泡沫铜的铜纳米线置于含铁盐和镍盐的电解液中，通过电化学沉积得到。

6.如权利要求5所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐为硫酸亚铁，所述镍盐为硝酸镍，所述铁盐和所述镍盐的摩尔比为1-3：1-3；电化学沉积的时间为10-100s。

7.如权利要求1所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述铱纳米颗粒的负载通过以下方法进行：将所述铜纳米线负载镍铁纳米片材料浸入含三氯化铱和氢氧化钾的电解液中，通过电化学沉积得到。

8.如权利要求7所述的一种分等级结构电催化材料的制备方法，其特征在于，所述三氯化铱的浓度为10-100μmol/l，所述氢氧化钾的浓度为0.1-2mol/l；电化学沉积的时间为500-7000s。

9.一种分等级结构电催化材料，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的制备方法得到。

10.如权利要求9所述的一种分等级结构电催化材料在电解水中的应用。

技术总结本申请提供了一种分等级结构电催化材料及其制备方法和应用，属于电化学能源材料技术领域，该制备方法包括以下步骤：制备负载于泡沫铜的氢氧化铜纳米线；将氢氧化铜纳米线还原成铜纳米线，得到负载于泡沫铜的铜纳米线；在铜纳米线上负载镍铁纳米片，得到铜纳米线负载镍铁纳米片材料；在铜纳米线负载镍铁纳米片材料上负载铱纳米颗粒，得到分等级结构电催化材料。本申的电催化材料可以增大附着面积和加快传质，而且有利于铱金属纳米颗粒的分散性。通过铱纳米颗粒与镍铁纳米片的电子转移和分级结构设计可以大大降低铱的负载量，极大地减低了材料成本，同时相比于工业上用的雷尼镍，该复合电催化材料具有更优异的大电流密度析氧性能。技术研发人员：余家国,倪振瑞,邝攀勇,柳如艳受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）技术研发日：技术公布日：2024/5/6