[发明专利]一种高效裂解水双功能电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高效裂解水双功能电催化剂及其制备方法与应用，属于催化剂制备领域。本发明高效裂解水双功能电催化剂由如下方法制备得到，将钴、镍离子与硫脲溶液均匀混合后，在处理后的镍泡沫上电沉积制备。本发明制备的双功能电催化剂是一种能够可持续性生产氢能源的先进技术手段之一，具有极佳的工业应用前景，可用以改善当今全球日益紧张的能源供应格局。

技术领域

本发明涉及催化剂制备领域，具体涉及一种钴镍硫氧化物原位生长到泡沫镍上制备的高效复合型裂解水双功能产氢电催化剂及其制备方法。

背景技术

进入21世纪以来，人类对能源需求持续增加，而传统化石能源所带来的资源短缺、环境污染和温室效应等问题日益突出，已经愈发难以满足人类社会生存发展的需要。氢气以其清洁无污染、燃烧值高等优点成为未来最具潜力的可再生能源之一,而清洁生产氢气的最佳选择之一即为裂解水。水分解的半反应之一——水氧化反应由于其过程复杂,一直是制约水分解的瓶颈。

贵金属(比如Pt,Ru或Ir的氧化物)是迄今为止所发现的活性最高的水氧化催化剂之一。然而，贵金属催化剂较为突出的缺点是价格昂贵、资源短缺、在电解液中易团聚和腐蚀。这在很大程度上限制了其在氢能工业中的应用，所以寻找高效、稳定、过电位低的水氧化催化剂便成为了突破该瓶颈的关键。

目前，过渡金属(Ni,Co,Fe,Mo,和W)氧化物、硫化物、磷化物、氢氧化物已被广泛开发用于水氧化(OER)及析氢反应(HER)电催化剂，展现出极佳的OER活性，在实际强碱体系中的稳定性也是实现其大规模应用的关键。已有文献报道(Adv.Funct.Mater.2016,26(26):4661-4672)将上述产物生长在三维镍泡沫上能够实现大幅度优化催化剂的催化性能，包括：(i)增大电化学活性面积，暴露出更多的活性位点，(ii)合成出在碱性电解质环境中更稳定的螺旋结构，(iii)应用大阴离子暴露更多多价状态的阳离子活性位点，增加了电催化剂的导电性,(iv)催化剂与基底杂化保证具有大表面积区域和表面粗糙度的一维纳米结构的均匀生长，以增加活性位点数量，便于电解质的转移，防止活性位点团聚，同时降低接触电阻，增强催化剂的导电性。因而，基于过渡金属元素的良好性质，同时将过渡金属基材料生长在具有三维结构的镍泡沫上，不仅可以获得极好的催化活性，还可以大大降低成本，实现大规模工业化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效裂解水双功能电催化剂，以解决现有电解水析氢技术中非贵金属电催化剂催化过程缓慢，功能单一，稳定性差，以及较高过电位带来的能源浪费严重的问题。

本发明所述高效裂解水双功能电催化剂由如下方法制备得到，钴、镍离子与硫脲溶液均匀混合后，在处理后的镍泡沫上电沉积制备。本发明将自然界中储量相对丰富的过渡金属元素和易于广泛获得的镍泡沫复合，快速便捷的合成了用于电解水产生氢气的高效双功能电催化剂。通过对制备工艺的优化，确定了适宜的反应条件，所制催化剂拥有诸多优点，如耗时少，操作简单，稳定性高。这种催化剂在10mA·cm^-2处的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的过电位分别为246mV，-170mV，相比具有一定催化活性纯泡沫镍在10mA·cm^-2时的过电位347mV，-280mV，分别降低了101mV和110mV。因此，本发明制备合成的双功能电催化剂是一种能够可持续性生产氢能源的先进技术手段之一，具有较好的工业应用前景，对改善当今日益紧张的能源供应格局具有一定意义。

本发明技术方案如下：

一种高效裂解水双功能电催化剂，其化学式为NiCoS_xO_y/Ni；其中，0≤x≤0.5，3≤y≤5；优选地，0.08≤x≤0.2，3≤y≤4。

在本发明的一个较佳的实施例中，x为0.14，y为3.25。