[发明专利]蜂窝状大孔结构过渡金属基催化剂电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及蜂窝状大孔结构过渡金属基催化剂电极及其制备方法和应用。本发明所述的制备方法，包括以下步骤：S1：合成聚苯乙烯亚微米球水溶液；S2：配制过渡金属盐溶液，将过渡金属盐溶液与聚苯乙烯亚微米球水溶液混合得到混合液，将混合液喷涂于导电基底上成膜后高温煅烧，得到蜂窝状大孔结构的氧化物薄膜；S3：将氧化物薄膜在惰性气氛下，于高温下进行硫化或硒化或磷化处理，得到蜂窝状大孔结构的过渡金属基催化剂电极。本发明所述的制备方法操作简单、催化剂大孔结构易保持、重现性好、便于制备大面积电极，并且，通过本发明制备得到的催化剂电极具有高比表面积，可暴露更多的活性位点，可应用于染料敏化太阳能电池及电化学分解水等。

技术领域

本发明涉及电催化剂的制备领域，特别是涉及一种蜂窝状大孔结构过渡金属基催化剂电极及其制备方法和应用。

背景技术

新能源的发展依赖于新材料的研发和创新。其中，低成本、高性能电催化剂材料是新能源材料的一个研究重点。众所周知，贵金属纳米材料是优异的电催化剂，对于产氢(HER)、产氧(OER)、氧还原反应(ORR)等均具有较高的活性，已被应用于电解水制氢、燃料电池、染料敏化太阳能电池等领域。然而，贵金属昂贵的价格和稀缺的储量限制了它们的广泛应用。研发低成本的替代电催化剂具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

过渡金属硫属化物(TMDs)和过渡金属磷化物(TMPs)是目前研究较多的两类贵金属替代催化剂，因为他们的原材料储量丰富，成本低，但其催化活性有待进一步提高。总体来说，催化剂的催化活性主要受两方面因素影响：(1)催化剂电子结构，决定其本征催化活性；(2)催化剂形貌结构，决定其活性位点的数量。因而，制备电催化剂时，需对其形貌和结构进行调控，暴露更多的活性位点以提高其催化活性。目前，已有文献报道了纳米颗粒、纳米线、纳米片、中空球等多种形貌的TMDs、TMPs催化剂。其中，中空大孔结构的催化剂可提供较大的比表面积，并有利于电解液的快速渗透扩散，获得了较好的催化性能。大孔结构纳米材料常用的合成方法是模板法。而在导电基底上直接制备大孔结构的TMDs、TMPs形成催化剂电极尚未见报道。此外，目前报道的TMDs、TMPs电催化剂的合成方法大多步骤复杂，不适合大面积电极的简单制备。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种蜂窝状大孔结构的过渡金属基催化剂电极的制备方法，所述制备方法简单、重现性好、便于大面积电极的制备。

本发明的另一个目的在于，提供一种蜂窝状大孔结构的过渡金属基催化剂电极，其通过本发明的制备方法制得，其具有高比表面积，催化效率高，能够用于染料敏化太阳能电池、电催化分解水等。

本发明是通过以下技术方案实现的：蜂窝状大孔结构过渡金属基催化剂电极的制备方法，包括以下步骤：

S1：合成聚苯乙烯亚微米球水溶液；

S2：配制过渡金属盐溶液，将过渡金属盐溶液与聚苯乙烯亚微米球水溶液混合得到混合液，将混合液喷涂于导电基底上成膜；将喷涂成膜的导电基底进行高温煅烧，得到蜂窝状大孔结构的过渡金属氧化物薄膜；

S3：将过渡金属氧化物薄膜在惰性气体保护下，于高温下进行硫化或硒化或磷化处理，得到蜂窝状大孔结构的过渡金属基催化剂电极。

本发明所述的蜂窝状大孔结构过渡金属基催化剂电极的制备方法，使用聚苯乙烯亚微米球作为造孔剂，过渡金属盐包覆于聚苯乙烯亚微米球表面，通过柠檬酸与金属盐的络合作用有效地避免热处理过程中小颗粒的团聚，使聚苯乙烯亚微米球被煅烧除去后大孔结构容易保持，并在后续的高温处理过程中，体积变化很小，形成的大孔基本连接在一起，使得蜂窝大孔结构易于保持、方法重现性好，且可通过调控聚苯乙烯球直径来调控大孔的尺寸；并且，将催化剂直接生长于导电基底上有利于在二者间建立有效的电子传输通道。通过本方法制备得到的催化剂电极，具有高比表面积，可暴露更多的活性位点，其孔结构能促进电解液渗透到电极内部，提高催化剂与电解液的接触面积，从而提高电极的有效比表面积，可以有效的提高其催化效率。