[发明专利]一种高效氧析出反应电催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于自然生物学、传统金属腐蚀和现代电化学能源技术多领域的结合，更具体地，涉及一种高效氧析出反应电催化剂及其制备方法。采用微生物腐蚀工程制备高效氧析出电极，一方面利用培养基溶液对腐蚀基底进行化学腐蚀，另一方面利用微生物自身具有氧析出反应(OER)催化活性的代谢产物与腐蚀基底进行耦合，从而对基底材料表面进行改性，生成具有高效OER催化活性的腐蚀性生物膜，作为氧析出反应催化剂，氧析出效率大大提升，适于工业化应用。

技术领域

本发明属于自然生物学、传统金属腐蚀和现代电化学能源技术多领域的结合，更具体地，涉及一种高效氧析出反应电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着对清洁能源需求的不断增加，开发效率高、成本低和环境友好的可替代能源转换和存储体系受到广泛关注。氧析出反应(OER)电催化剂无疑是各种可再生能源的关键技术，其中包括金属空气电池和电解水技术等。为解决贵金属(Pt、Pd、Au、Ru、Ir等)催化剂的成本及其不可持续发展的问题，金属基氧化物/氢氧化物具有丰富、廉价、易制备、形貌可控、较高的OER催化活性等优点而引起了人们广泛的研究兴趣。

当前，金属基氧化物/氢氧化物OER电催化剂的制备方法主要是通过电沉积或水热法，然而，这些自下而上的方法需要复杂的前驱体溶液或严格的合成条件(如高温、压力或额外的电力输入)，从而阻碍了此类电催化剂的大规模应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微生物腐蚀工程制备得到的高效氧析出反应电催化剂及其制备方法，其采用微生物腐蚀工程制备高效氧析出电催化剂，一方面利用培养基溶液对腐蚀基底进行化学腐蚀，另一方面利用微生物自身具有氧析出反应(OER)催化活性的代谢产物与腐蚀基底进行耦合，从而对基底材料表面进行改性，生成具有高效OER催化活性的腐蚀性生物膜，获得氧析出反应电催化剂，由此解决现有技术的金属基氧化物/氢氧化物OER电催化剂制备方法复杂、合成条件苛刻的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微生物腐蚀工程制备氧析出反应电催化剂的方法，在含有硫酸盐还原菌、硫酸根和金属离子的培养基溶液中，对腐蚀基底材料进行化学腐蚀和微生物腐蚀；其中：

所述硫酸盐还原菌的自身代谢产物与所述培养基溶液中的金属离子结合生成金属硫化物；

该金属硫化物掺杂进入经化学腐蚀的所述基底材料中，在腐蚀基底材料表面生成金属硫化物掺杂的腐蚀性生物膜，获得所述氧析出反应电催化剂。

优选地，所述腐蚀基底材料为泡沫镍、镍颗粒、镍纳米线、不锈钢、碳钢和碳布中的一种或多种。

优选地，所述腐蚀基底材料在使用前采用盐酸、硝酸、乙醇和丙酮的一种或多种去除其表面的氧化膜或杂质。

优选地，所述培养基溶液中的金属离子为Ni²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Co²⁺和Mn²⁺中的一种或多种，所述金属离子的浓度不高于0.01mol/L。

优选地，对于每平方厘米的所述腐蚀基底材料，所述培养基溶液中含有体积分数为不大于80％的硫酸盐还原菌原液，所述硫酸盐还原菌原液中硫酸盐还原菌的浓度为8×10⁴cell/mL。

优选地，所述培养基溶液中的硫酸根的浓度不高于0.01mol/L。

优选地，所述化学腐蚀和微生物腐蚀条件为：在不高于37℃的密封无氧环境下腐蚀不超过21天。

按照本发明的另一个方面，提供了一种微生物腐蚀工程制备得到的氧析出反应电催化剂，其包括腐蚀基底材料和在所述腐蚀基底材料表面形成的腐蚀性生物膜，其中：

所述腐蚀基底材料为泡沫镍、镍颗粒、镍纳米线、不锈钢、碳钢和碳布中的一种或多种；