[发明专利]一种用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂及其制备和使用方法

说明书

本发明提供了一种用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂及其制备和使用方法。本发明基于层状双金属氢氧化物(LDHs)和沸石咪唑类金属有机框架化合物(ZIF‑67)，以泡沫镍(NF)为基底，通过两步水热法合成了ZIF‑67/CoNiAl‑LDH/NF三维多级结构催化剂。通过二维ZIF‑67的引入，提高了催化剂的电化学活性面积，所形成的独特的三维多级多孔结构以及高比表面积和孔道丰富的载体有利于能够降低析氧反应的势垒，并且在固液两相之间形成超疏气界面，使得氧气容易脱附，促进析氧反应发生，将其应用与析氧反应中，电流密度为10mA/cm²时，反应过电势为0.3～0.41V，Tafel斜率为88～245mV/dec^‑1,且稳定性极好,具有好的应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，具体来说，涉及一种用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂及其制备和使用方法。

背景技术

能源和环境是二十一世纪最重要的问题。全球对能源的需求一直在快速持续增长，未来十五年主要的能源需求将是当今能源使用量的基础上的两倍。到目前为止，很大一部分(超过了80％)的能源供应来自化石燃料，但是大量化石能源的燃烧会导致温室气体的排放，引发温室效应，导致全球气候变暖等一系列的问题。因此开发清洁和可再生能源来显著减少对导致大量二氧化碳及烟尘的化石燃料的依赖是一个迫在眉睫的问题。可持续的经济绿色的有效制取氢气是在当今社会中氢能利用的关键。目前，电解水制氢是制取高纯度氢气的重要研究领域，但关键在于水分解过程的析氧反应(OER)的动力学过程缓慢，严重阻碍了整个产氢过程的效率，钌、铱等贵金属基化合物是目前最高效的析氧催化剂，然而由于过高的成本、资源的稀缺、较高的过电位和较差的稳定性，限制了它们的应用和推广。因此，开发高效的析氧反应催化剂是人类生存的迫切要求。

层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类高度有序的二维层状材料，可以通过改变层板上的二价或三价金属阳离子进行调控它们的结构和组成，调变其催化性能，在析氧反应中具有良好的性能，但是水滑石结构存在析氧活性组份暴露有限，纳米颗粒容易团聚等问题。二维金属有机框架化合物具有高的比表面积，较好的导电性和结构可调变性等优异的性能，在电化学领域有广泛的应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂及其制备和使用方法。

本发明所述的用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂具有ZIF-67/CoNiAl-LDH/NF三维多级结构。

优选的，二维CoNiAl-LDH片层的大小为1.5～5μm,厚度为60～150nm。

优选的，二级ZIF-67片层结构的大小为25～100nm,厚度为2～10nm。

本发明所述的用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂的制备方法：通过一步水热法在泡沫镍基底上合成具有纳米片阵列结构的钴镍铝水滑石基催化剂前体，再经过二次合成将二维ZIF-67纳米阵列原位生长于水滑石结构上，得到具有ZIF-67/CoNiAl-LDH/NF三维多级结构的电催化剂。

优选的，所述用于析氧反应的三维多级结构钴镍铝三元金属电催化剂的制备方法包括以下具体步骤：

1)将泡沫镍基底在丙酮溶液中超声清洗5～20分钟，然后转移至1～5摩尔/升的盐酸中超声清洗5～20分钟，再转移至乙醇溶液中超声清洗5～20分钟，最后用去离子水充分冲洗泡沫镍基底，再放到50～80℃的烘箱中进行干燥；

2)用去离子水配制含硝酸钴、硝酸铝、尿素、氟化铵的混合溶液；