基于射流等离子体处理的析氧催化剂的制备方法及应用与流程

本发明属于但不限于催化剂，尤其涉及一种基于射流等离子体处理的析氧催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、传统化石资源枯竭引发能源、环境危机，能源结构转型迫在眉睫。氢能是一种高热值无污染的新能源，在众多领域具有广泛应用，通过电解水制氢是缓解能源危机以及减少碳排放的有效途径，但电解水中的阳极析氧反应(oer)涉及复杂的四电子转移过程，过电位较高，限制了产氢效率。长期以来，电解水催化剂主要为ir、ru等贵金属氧化物，储量低成本高，难以实现大规模应用，因此研究开发新型高效的析氧反应催化剂势在必行。

2、传统的析氧催化剂合成方法，如高温固相反应、湿化学法和热分解法，通常需要高温高压条件，能耗巨大，且反应过程复杂，难以控制催化剂的形貌和尺寸。这些方法容易导致催化剂颗粒团聚，活性位点减少，进而降低催化效率。此外，传统方法制备的含铅催化剂在循环使用过程中稳定性较差，易发生结构变化，导致性能衰减。

3、射流等离子体技术作为一种先进的材料制备手段，已在纳米材料合成领域展现出独特优势。例如，等离子体辅助化学气相沉积(pacvd)和等离子体喷涂技术已被用于制备高性能的催化材料。利用射流等离子体技术，可以在较低温度下产生高能活性粒子，使反应物迅速形成纳米级的催化剂颗粒。这种方法不仅能有效控制催化剂的粒径和形貌，增加比表面积和活性位点数量，还能提高催化剂的分散性和稳定性。

4、通过射流等离子体技术制备的析氧催化剂，具有更高的催化活性和更长的使用寿命。这是由于射流等离子体环境下生成的催化剂具有独特的表面结构和电子特性，有利于氧分子的吸附和活化，促进析氧反应的进行。此外，射流等离子体方法制备的催化剂在成分上实现调控，可引入其他元素进行掺杂，进一步提升催化性能。例如，掺杂钴、镍等过渡金属可以改善催化剂的导电性和稳定性。

5、相比之下，传统技术存在的主要问题包括能耗高、过程复杂、产品不均一和环境污染等。高温条件不仅增加了能源消耗，还引发安全隐患。复杂的反应过程使得催化剂的重复制备性差，影响工业化应用。而一些湿化学方法涉及有毒试剂，带来环境和健康风险。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于射流等离子体处理的析氧催化剂的制备方法及应用。

2、本发明是这样实现的，一种基于射流等离子体处理的析氧催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一，称取一定量氧化铅、硫酸亚铁、硝酸镍、硫脲、石墨烯，加入至10ml去离子水中；室温条件下超声处理30min，得到混合液；

4、步骤二，将步骤一的混合液冷冻干燥24h，得到粉末样品；

5、步骤三，称取步骤二的样品均匀平铺于平底玻璃容器中，将平底玻璃容器置于射流等离子体放电羽流区域内；

6、步骤四，切割泡沫镍，分别用3mol/l盐酸溶液、乙醇和去离子水超声处理30min，室温静置12h；

7、步骤五，称取步骤三制得的催化剂加入乙醇和5％wt nafion溶液中，超声处理30min使其混合均匀；

8、步骤六，将步骤五中的溶液均匀涂敷于步骤四处理后的泡沫镍中，室温静置12h，得到pb-nife/g/nf催化剂。

9、进一步，步骤一中氧化铅223.2mg，硫酸亚铁为278mg，硝酸镍为290mg，硫脲为304.5mg，石墨烯为100mg。

10、进一步，步骤二中冷冻干燥的条件为-80℃，20pa。

11、进一步，步骤三中放电气体为氩气，气体流速为50sccm，射频放电功率为100w，处理时间为45min。

12、进一步，步骤四中泡沫镍的尺寸为1cm×1cm×1mm。

13、进一步，步骤五中将10mg催化剂加入400μl乙醇和40μl 5％wt nafion溶液中。

14、本发明的另一目的在于提供一种基于射流等离子体处理的析氧催化剂的制备方法所制备的基于射流等离子体处理的析氧催化剂。

15、本发明的另一目的在于提供一种基于射流等离子体处理的析氧催化剂在电解水催化中的应用。

16、本发明的另一目的在于提供一种基于射流等离子体处理的析氧催化剂在空气电池催化中的应用。

17、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

18、第一、本发明通过射流等离子体对石墨烯进行表面处理，进而使过渡金属负载于石墨烯中，同时将部分pbo2还原为pb，有效提高了析氧催化剂的合成效率且无含毒副产物产生，提高析氧反应催化剂性能。

19、本发明利用射流等离子体技术，可在温和的条件下实现高效催化剂的制备，减少能源消耗和环境污染。这符合当前绿色化学和可持续发展的理念。此外，等离子体制备方法具有工艺简单、可控性强、适合大规模生产等优点，为高效析氧催化剂的工业化应用提供了可行性。

20、第二，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

21、①随着全球对清洁能源和可再生能源的需求日益增长，高效析氧催化剂在新能源、电化学储能和环境治理等领域有广泛应用前景。本发明的技术可满足市场对高性能、低成本催化剂的迫切需求。

22、②本发明可提升催化剂的性能。通过等离子体的掺杂和刻蚀作用，催化剂表面形成丰富的活性位点和孔隙结构，增强了电子传输和物质传递效率。这使得催化剂在电解水制氢等能源转换领域表现出更高的电催化活性和稳定性。同时，等离子体处理有望降低生产成本，射流等离子体处理过程快速高效，可在常温常压下进行，减少了能源消耗和设备投入，该工艺可使用廉价的原材料，进一步降低生产成本。

23、第三，本发明通过射流等离子体处理制备析氧催化剂，解决了现有技术中存在的一些关键问题，并在催化剂的性能和产业应用方面取得了显著的技术进步。具体技术问题及改进包括：

24、1.提高催化剂活性：

25、传统的析氧催化剂在反应活性上存在一定局限，而本发明通过使用射流等离子体处理技术，可以在低温条件下有效增强催化剂的表面活性，优化其电子结构，进而显著提高催化剂的析氧反应效率。

26、2.提升稳定性：

27、通过在催化剂表面构建具有高稳定性的pb-nife/g/nf复合材料，本发明能够提高催化剂在长期使用过程中的结构稳定性，减少反应过程中活性位点的流失，提高催化剂的使用寿命。

28、3.简化制备工艺，节约能源：

29、相较于传统的高温煅烧工艺，本发明采用低温冷冻干燥与射流等离子体处理的结合工艺，在室温条件下能够完成催化剂的高效制备，减少了能源消耗和反应时间，简化了工艺步骤，提高了生产效率。

30、4.提高催化剂的分散性：

31、通过加入石墨烯作为导电性增强剂，结合射流等离子体处理，本发明制备的催化剂能够实现较为均匀的分散，进一步提高了催化剂与反应物的接触面积，从而增强了析氧反应性能。

32、5.增强产业应用的可行性：

33、本发明制备的pb-nife/g/nf催化剂不仅在实验室中表现出优异的析氧催化性能，还具备良好的规模化生产潜力，适用于工业电解水、能源储存等领域，推动了该领域的技术进步。

34、综上所述，本发明通过创新性地引入射流等离子体处理技术，不仅解决了现有析氧催化剂在活性、稳定性及制备工艺上的问题，还显著提升了催化剂在产业应用中的性能，具备重要的商业化应用前景。

35、第四，本发明的主要参数包括催化剂制备中涉及的物料和工艺条件。首先，所用的氧化铅、硫酸亚铁、硝酸镍、硫脲和石墨烯的具体配比精准，确保了反应物的均匀分布和良好的协同作用。其次，在冷冻干燥步骤中，采用-80℃和20pa的条件，使得所得粉末样品具备高纯度和良好的结构稳定性。最后，通过射流等离子体处理，氩气流速为50sccm，射频放电功率为100w，处理时间为45分钟，这些参数的精确控制确保了催化剂表面均匀活化，提升了其电化学性能。

36、本发明解决了现有析氧催化剂在产业应用中的多个技术难题。传统的析氧催化剂往往存在较高的反应过电位，导致反应效率低，此外，催化剂的结构在长期运行中容易出现失活和分解。通过采用射流等离子体处理技术，本发明显著降低了催化剂的过电位，同时提高了其在复杂工况下的长期稳定性，解决了催化剂活性不稳定的问题。此外，石墨烯的加入进一步增强了导电性，使得催化剂的整体性能得到提升。

37、本发明的显著技术进步之一是大幅提高了析氧反应的效率。与传统的析氧催化剂相比，本发明制备的pb-nife/g/nf催化剂能够在较低的电位下进行高效的析氧反应，有效降低了能源消耗。其稳定性在长期电化学运行中表现优异，能够承受上千小时的连续反应而不失效，大大减少了维护成本和更换频率，尤其在电解水和空气电池的工业应用中具备显著的经济效益。

38、另外，本发明的制备方法简化了工艺流程，降低了生产成本，同时也提高了催化剂的制备效率。与传统的高温煅烧技术不同，本发明采用低温冷冻干燥与射流等离子体处理的结合，不仅能耗更低，而且操作条件更为温和，适用于大规模工业化生产。这些技术进步使得本发明在新能源领域具有广泛的应用前景，推动了电解水制氢和空气电池等产业的技术升级。