一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法及应用

本发明涉及电解水催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、当今世界化石能源消耗严重且不可再生，燃烧后会产生co2等气体造成温室效应，致使海平面上升等极端恶劣气候变化情况出现，进而很大程度的影响了人们的生产生活，因此，对于新型清洁能源的探究尤为重要。氢能具有燃烧产物为水的零污染、燃烧热值高、原材料普遍广泛、无毒无害、易存贮运输等优点，是未来的理想能源。水电解法是一种清洁、高效的制氢技术，转化率较高，制备出的o2和h2纯度较高。全水分解系统包含析氢反应和析氧反应，其中，析氧反应(oer)是复杂的多步质子-电子转移过程，因此oer的动力学较为缓慢，且对电催化剂的依赖程度很高，导致整个水分解过程的耗能较高，是阻碍高效水电解的关键障碍。因此，在低过电位下实现oer动力学过程，增加反应速率，开发高效的电催化剂成为具有挑战性的重大课题。

技术实现思路

1、本发明要解决现有析氧反应过电位较高的问题，进而提供一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法及应用。

2、一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，它是按以下步骤进行的：

3、一、将钙盐和锰盐加入到溶剂中，得到前驱体溶液；

4、所述的钙盐与锰盐的摩尔比为1:(0.6～1.4)；

5、所述的前驱体溶液中钙盐的浓度为0.1mol/l～0.7mol/l；所述的前驱体溶液中锰盐的浓度为0.1mol/l～0.7mol/l；

6、二、在室温条件下，将基底浸入前驱体溶液中2min～10min，然后干燥，得到浸渍后的基底；

7、三、在常温、氧气气氛、电压为10v～50v及电流为10a～50a的条件下，利用直流电使用非平衡热冲击法对浸渍后的基底进行热冲击处理0.1s～10s，然后降温，得到基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂。

8、一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的应用，它作为非贵金属电催化剂用于电解水，催化析氧反应。

9、本发明的有益效果是：

10、本发明以钙盐和锰盐为原材料，以薄基底为电极片，通过焦耳热辐射使样品经历迅速加热到高温又快速冷却的非平衡过程，利用颗粒与基底间界面热失配合成钙钛矿结构camno3调节oer反应活性位点。该类型钙锰基氧化物催化剂提供了与氧分子中的o-o键长度相当大小的通道，便于氧被容纳，从而更有助于o-o键断裂，利于氧的吸附和脱附。且ca在锰氧化物中的结合影响氧的吸附、活化和还原行为，钙离子与锰离子的结合提高了晶体的化学稳定性和结构稳定性，大幅度降低了oer反应中速率决定步骤的能垒。本发明制备的钙锰基氧化物电催化剂在10ma/cm2下过电位仅为215mv，对于非贵金属催化剂领域，具有稳定高效的催化产氧性能。

11、1.本发明选取储量丰富、价格低廉的钙、锰为原料，氯盐、硝酸盐、硫酸盐、乙酸盐等均可作为原料使用，具有普适性，相较于贵金属，成本大幅度降低，适合规模批量生产应用。

12、2.本发明通过分析自然界中光合作用过程，进行仿生设计，利用钙离子和锰离子结合，合成钙钛矿结构camno3催化剂，该催化剂的晶体结构更便于氧被容纳，有助于o-o键断裂，利于氧的吸附和脱附，为电解水反应提供了丰富的活性位点，有效降低了oer的过电位。

13、3.本发明利用非贵金属热膨胀性的不同，通过对材料进行非平衡焦耳热辐射处理，既有利于防止纳米颗粒的团聚，又可提高催化剂与电极片基底之间连接的稳定性。

14、4.本发明材料合成设备简单、操作简便、反应过程绿色无污染，本发明制备的催化剂有自支撑基底，无需额外涂片即可作为电极使用，制作流程短、时间快，同时该催化剂催化性能优秀、稳定性高且前景广阔。

15、说明书附图

16、图1为实施例一制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂的极化曲线图；

17、图2为实施例一制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂的oer过电位柱状图；

18、图3为实施例一制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂的电化学交流阻抗谱图；

19、图4为实施例一制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂的xrd图；

20、图5为实施例一制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂的微观形貌图，(a)和(b)是同一位置的不同放大倍数的微观形貌图；

21、图6为实施例一制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂的计时电位分析图。

技术特征：

1.一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的钙盐与锰盐的摩尔比为1:1。

3.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的钙盐和锰盐的种类为氯盐、硝酸盐、硫酸盐或乙酸盐；步骤一中所述的溶剂为去离子水或乙醇。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤二中所述的基底为碳布、碳纸、泡沫镍或镍网。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤二中所述的干燥具体是在温度为60℃～70℃的空气气氛下，干燥1h～2h。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中热冲击处理的最高温度为700℃～1200℃；步骤三中热冲击处理的升温速率为1000℃/s～2000℃/s，降温速率为1000℃/s～2000℃/s。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中制备的基于仿生光合作用设计的钙锰基电催化剂成颗粒状均匀致密地分布于基底上，且颗粒表面光滑圆润，直径为0.5μm～2μm。

8.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤三在常温、氧气气氛、电压为20v及电流为30a的条件下，利用直流电使用非平衡热冲击法对浸渍后的基底进行热冲击处理0.5s。

9.根据权利要求1所述的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于步骤三中热冲击处理的最高温度为765℃。

10.如权利要求1制备的一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的应用，其特征在于它作为非贵金属电催化剂用于电解水，催化析氧反应。

技术总结一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法及应用，它涉及电解水催化剂的制备方法及应用。本发明要解决现有析氧反应过电位较高的问题。制备方法：一、将钙盐和锰盐加入到溶剂中，得到前驱体溶液；二、浸渍基底；三、利用直流电使用非平衡热冲击法对浸渍后的基底进行热冲击处理。应用：它作为非贵金属电催化剂用于电解水，催化析氧反应。本发明用于基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备及应用。技术研发人员：亓钧雷,徐溶榕,闫耀天,王楚博,刘一鸣,曹健受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18