[发明专利]一种复合电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种复合电极材料及其制备方法和应用，涉及能源转换与储存材料技术领域。本发明所述复合电极材料为氮原子掺杂的石墨化碳纳米管包覆镍铁合金纳米颗粒的核壳纳米管状复合材料，所述氮原子掺杂在石墨化碳纳米管的碳层中，所述镍铁合金纳米颗粒中Fe与Ni的摩尔比为3:1～1:3。所述复合电极材料具有优异的HER、OER和ORR三功能催化性能，具有良好的稳定性，且原料成本较低，制备方法简单有效，合成过程绿色、可控，十分有利于该材料的大量生产，在全水裂解以及锌‑空气电池中有相当大的实际应用前景。

技术领域

本发明涉及能源转化与储存材料技术领域，具体涉及一种复合电极材料及 其制备方法和应用。

背景技术

近年来，由于石油资源的大规模使用，引起了一系列全球环境问题。而发 展清洁能源技术被认为是缓解全球气候变化，提高人们生活质量的方法。在各 种研究中，能源转化技术吸引了来自学术界和工业界的广泛关注。在能源转化 技术中，关于电解水析氢反应(HER)、析氧反应(OER)以及氧还原反应(ORR) 成为了目前研究的焦点。通过HER和OER可以把水分解成氢气和氧气，其中 通过阴极HER产生的氢气是一种非常优异的清洁燃料，而阳极OER产生的氧 气也可以广泛的应用于生活生产当中。ORR则可以实现从化学能到电能的转化， 这种直接的能量转化有着相当高的能源转化效率以及无毒性，因而被认为是一 种非常有潜力并且环境友好的能源转换装置。然而在氧电极上的由于迟缓的动 力学限制，导致OER和ORR的效率仍然较低。目前在商业上HER和ORR的 应用主要依靠Pt基催化剂。其价格十分昂贵，且在碱性下稳定性较差，而且对 CO、甲醇等气体敏感，易“中毒”。对于OER，当前主要使用Ir基或者Ru基的 氧化物复合材料。这些材料同样存在价格昂贵、碱性条件下稳定性差以及催化 活性单一等缺点。基于这些缺陷的存在，并不利于电解水产氢以及锌-空气电池 的实际应用推广。

为了解决这些问题，对非贵金属甚至是非金属的研究使得电催化剂的种类 得到极大的拓展。在众多材料中，碳纳米管(CNTs)作为一种具有高比表面积， 高导电性，高机械强度以及好的柔性材料使得它成为一种非常有潜力的催化剂。 虽然碳纳米管有着诸多优点，但是其本征活性较差，一般只是用作于其他催化 剂的载体。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种复合电极材料及其 制备方法和应用，所述复合电极材料具有优异的HER、OER和ORR三功能催 化性能，具有良好的稳定性，且原料成本较低，制备方法简单有效，整个合成 过程绿色、可控，十分有利于该材料的大量生产。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种复合电极材料，所述复合电极材料为氮原子掺杂的石墨化碳纳米管 (N-GCNTs)包覆镍铁合金纳米颗粒的核壳纳米管状复合材料 (N-GCNTs/NiFe)，所述氮原子掺杂在石墨化碳纳米管的碳层中，所述镍铁合金 纳米颗粒(NiFe NPs)中Fe与Ni的摩尔比为3:1～1:3。

本发明的复合电极材料为N-GCNTs/NiFe，通过对NiFe NPs的构筑以及对 CNTs进行氮原子掺杂，利用氮原子的特殊的电子构造，形成各种碳氮化合物， 其中吡啶氮的活性最强。此外，凭借金属原子与碳层原子间的相互作用，使得 数层外的N-GCNTs表面活性位点也能受到内层金属-载体的应力作用，从而使 得表面原子的电子结构也得到精确的调控。这种新建立的电子结构不同于普通 的吡啶氮结构，虽然其化学结构没有发生变化，但由于受到了内层应力的影响， 使得局部的电子结构发生了变化。这种电子结构的变化可以有效地降低HER、 OER以及ORR催化反应过程中的能垒，以及通过导电性优异的金属合金颗粒可以进一步的提高材料的导电性，加速HER、OER以及ORR反应过程中的电子 传输速率，从而有效地提高反应活性。此外，研究表明过渡金属粒子具有较强 的催化生长碳纳米管能力，能催化高分子聚会物转化成为碳纳米管，使用简单 的热处理即可得到纳米尺度的N-GCNTs/NiFe，同时本发明也降低了工业催化合 成碳纳米管的污染程度和危险程度。