一种电解水析氧电催化剂及其制备方法和应用

本发明属于电催化领域，具体涉及一种电解水析氧电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电催化剂，作为电解水制氢的设备的关键材料，是目前限制绿色电解水制氢发展的关键因素之一。具体而言，目前电解水制氢的高活性催化剂依然以贵金属催化剂为主(pt/c作为析氢催化剂，ruo2/iro2作为析氧催化剂)。但是，它们的高价格，低地壳丰度和大电流密度下的不稳定性等问题阻碍了其在工业电解水领域的大面积应用。

2、电解水制氢路线包含两种反应(阴极反应：析氢反应，her；阳极反应：析氧反应，oer)。相比较于her过程，oer作为一个4电子反应，具有更缓慢的反应动力学，已经成为了电解水催化剂性能提升的主要瓶颈。目前，对于非贵过渡金属而言，以fe，co，ni为代表的化合物往往具备了较为突出的活性，尤其是基于nife ldh的oer催化剂。然而，在oer进程中，尤其在大电流密度下(>300ma cm-2)，该催化剂的不稳定性已经成为了限制该类催化剂广泛应用的关键因素。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的至少一个问题，本发明的目的之一在于提供一种电解水析氧电催化剂。

2、本发明的目的之二在于提供一种电解水析氧电催化剂的制备方法。

3、本发明的目的之三在于提供一种电解水制氢系统。

4、本发明的目的之四在于提供一种电解水析氧电催化剂和/或电解水析氧电催化剂的制备方法在制氢领域中的应用。

5、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

6、本发明的第一个方面提供了一种电解水析氧电催化剂，所述电催化剂包括金属氧化物和/或金属氢氧化物、泡沫基底；所述金属氧化物和/或金属氢氧化物负载在所述泡沫基底上；所述金属为摩尔比为1:(0.8～1.2)的铁和镍；或，所述金属为摩尔比为1：(0.8～1.2)：(0.8～5)的铁、镍和钴；或，所述金属为铁、镍、钴中的一种。上述金属为金属氧化物和/或金属氢氧化物中的金属。

7、优选地，所述泡沫基底为泡沫钴基底或泡沫镍铁基底。

8、本发明的第二个方面提供了本发明第一个方面提供的电解水析氧电催化剂的制备方法，包括以下步骤：以金属盐溶液为电解液，泡沫基底为工作电极，采用电化学沉积方法在泡沫基底上沉积金属氧化物和/或金属氢氧化物，制得所述电解水析氧电催化剂。

9、优选地，所述电化学沉积方法中，沉积电压为-1.2～-0.8v，扫描速率为40～60mvs-1，沉积圈数为900～1200圈。

10、优选地，所述电化学沉积方法中，对电极选自铂电极、碳棒；参比电极选自饱和甘汞电极。

11、优选地，所述电化学沉积方法，沉积温度为10～40℃。

12、优选地，所述金属盐选自铁盐、钴盐、镍盐中的至少一种。

13、优选地，所述铁盐选自硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的至少一种。

14、优选地，所述钴盐选自氯化钴、硝酸钴、硫酸钴中的至少一种。

15、优选地，所述镍盐选自氯化镍、硝酸镍、硫酸镍中的至少一种。

16、优选地，所述泡沫基底在使用前需要依次采用乙醇、盐酸和水进行超声清洗。

17、优选地，所述盐酸溶液的浓度为5～7mol/l。

18、优选地，所述制备方法中还包括干燥步骤，干燥步骤位于所述采用电化学沉积方法在泡沫基底上沉积金属氧化物和/或金属氢氧化物步骤之后。

19、优选地，所述干燥温度为50～70℃。

20、优选地，所述干燥时间为5～8h。

21、本发明的第三个方面提供了一种电解水制氢系统，包括本发明第一个方面提供的电解水析氧电催化剂。

22、本发明的第四个方面提供了本发明第一个方面提供的电解水析氧电催化剂和/或本发明第二个方面提供的所述电解水析氧电催化剂的制备方法在制氢领域中的应用。

23、本发明的有益效果是：本发明中的电解水析氧电催化剂能够在10ma cm-2的小电流密度和500ma cm-2的大电流密度下仍具有优异的循环稳定性，且具有较低的过电势，超低的塔菲尔斜率。

24、本发明中的电解水析氧电催化剂利用多种金属的协同作用，以及多金属电子结构的优化，从而实现在较低的过电位下实现10ma cm-2的电流密度，例如：fe2.5co2.5ni10@nff不仅在175mv的超低过电位下实现了10ma cm-2的电流密度，而且还表现出23.5mv dec-1的超低塔菲尔斜率，显著优于已经报道的过渡金属催化剂以及商业ruo2。更重要的是，该催化剂表现出优异的oer稳定性，无论是在10ma cm-2的小电流密度下还是在500ma cm-2的大电流密度条件下，经过200小时的oer稳定性测试，其lsv曲线的变化基本可以忽略不计。即便是在模拟工业环境(6mol/l的koh，60℃)中，在高电流密度(500ma cm-2)条件下，在进行1100小时电解水测试后，驱动电压也没有明显发生上升的迹象。这对用于大规模电解水制氢具有良好的应用前景。

25、本发明中的制备方法利用简单的电化学沉积的方法在泡沫基底沉积金属氧化物/氢氧化物作为oer电催化剂，制备方法简单易操作，无需使用络合剂和缓冲剂，制备成本低廉绿色。

技术特征：

1.一种电解水析氧电催化剂，其特征在于：所述电催化剂包括金属氧化物和/或金属氢氧化物、泡沫基底；所述金属氧化物和/或金属氢氧化物负载在所述泡沫基底上；所述金属为摩尔比为1:(0.8～1.2)的铁和镍；或，所述金属为摩尔比为1：(0.8～1.2)：(0.8～5)的铁、镍和钴；或，所述金属为铁、镍、钴中的一种。

2.根据权利要求1所述的电解水析氧电催化剂，其特征在于：所述泡沫基底为泡沫钴基底或泡沫镍铁基底。

3.权利要求1或2所述的电解水析氧电催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的电解水析氧电催化剂的制备方法，其特征在于：所述电化学沉积方法中，沉积电压为-1.2～-0.8v，扫描速率为40～60mv s-1，沉积圈数为900～1200圈。

5.根据权利要求3所述的电解水析氧电催化剂的制备方法，其特征在于：所述电化学沉积方法中，对电极选自铂电极、碳棒；参比电极选自饱和甘汞电极。

6.根据权利要求3所述的电解水析氧电催化剂的制备方法，其特征在于：所述电化学沉积方法，沉积温度为10～40℃。

7.根据权利要求3所述的电解水析氧电催化剂的制备方法，其特征在于：所述金属盐选自铁盐、钴盐、镍盐中的至少一种。

8.根据权利要求3所述的电解水析氧电催化剂的制备方法，其特征在于：所述泡沫基底在使用前需要依次采用乙醇、盐酸和水进行超声清洗。

9.一种电解水制氢系统，其特征在于：包括权利要求1或2所述的电解水析氧电催化剂。

10.权利要求1或2所述的电解水析氧电催化剂和/或权利要求3～8任一项所述电解水析氧电催化剂的制备方法在制氢领域中的应用。

技术总结本发明公开了一种电解水析氧电催化剂及其制备方法和应用，所述电催化剂包括金属氧化物和/或金属氢氧化物、泡沫基底；所述金属氧化物和/或金属氢氧化物负载在所述泡沫基底上；所述金属为摩尔比为1:(0.8～1.2)的铁和镍；或，所述金属为摩尔比为1：(0.8～1.2)：(0.8～5)的铁、镍和钴；或，所述金属为铁、镍、钴中的一种。本发明中的电解水析氧电催化剂能够在10mA cm‑2的小电流密度和500mA cm‑2的大电流密度下仍具有优异的循环稳定性，且具有较低的过电势，超低的塔菲尔斜率。技术研发人员：潘晖,刘春发,刘宏超,王双鹏受保护的技术使用者：澳门大学技术研发日：技术公布日：2024/5/16