[发明专利]一种三维双金属氧化物集流体电极材料、其制备方法及用途

说明书

本发明公开了一种三维双金属氧化物集流体电极材料，其包括：三维导电集流体基底；活性材料层，为双金属氧化物层，其锚定在所述三维导电集流体基底表面。本发明还公开了所述三维双金属氧化物集流体电极材料的制备方法和用于工业化大电流密度下的电解水制氢和产氧的用途。本发明的三维双金属氧化物集流体电极材料用于电解水活性能够实现2000A/m²以上的电解水电流密度活性，循环稳定性好。

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种三维双金属氧化物集流体电极材料、其室温制备方法及用途。

背景技术

以氢能为代表的清洁能源是应对当前能源危机和环境问题的重要手段，氢能的开发和利用技术受到越来越多的关注。建立以氢气为能量载体的能量储存、利用体系，发展氢气制备、储存和能量释放的相关技术和设施是替代当前以化石燃料为核心储能物质的能量利用体系的理想方式。在氢气制备技术中，电解水技术以其原理简单、产物纯度高、清洁无污染等优点，成为发展最快、最为成熟的制氢工艺。但电解水制氢能量消耗较大，且当前电解水制氢和产氧的商业催化剂均为氧化铱、氧化钌和铂等贵金属催化剂，制氢成本较高。

电解水工艺的核心反应为两个空间独立的半反应：阴极还原析氢反应(HER)和阳极氧化析氧反应(OER)。对于HER反应而言，以Pt为代表的贵金属单质及铂碳电极具有低过电位和高稳定性而受到广泛应用，但贵金属成本较高。对于OER反应，四电子反应过程的OER反应路径长，动力学缓慢，是电催化全解水能量损耗的主要原因，当前商业的氧化铱、氧化钌等贵金属电极活性依然不佳；且涂敷的贵金属氧化物层长时间使用会脱落失活。此外贵金属资源稀缺和成本过高而难于得到规模化应用，因而从提高能效和降低成本的目标出发，开发廉价高效且高循环稳定性的非贵金属HER及OER电极材料成为电解水制氢技术的关键。

在众多非贵金属电解水催化电极材料中，金属氧化物尤其二元金属氧化物，以其较低的成本、可调的电子结构，在催化活性、耐久性方面正趋接近甚至超越贵金属等商业电极材料，颇具应用潜力。公开号为CN109231255A的专利报道了一种以环糊精嵌段聚合物为模板剂制备单分散、形貌规整、尺寸可控和组分可调的多元金属氧化物纳米粒子的方法，但其制备工艺复杂且粉体层难以实现工业化大电流密度的要求，且长时间使用会脱落失活。公开号为CN106929830B的专利报道了一种水热法在钛片表面生长氧化铁再通过高温焙烧还原制备纳米结构可控的金属氧化物半导体薄膜电极材料的方法，但其制备流程较长难以规模化生产。公开号为CN108640165A的专利报道了一种利用常压等离子体和水的协同作用制备金属氧化物纳米结构复合材料的工艺，但其制备工艺难度大、批量生产困难等问题，极大地限制了其在电解水工业化的应用。

因而，目前的面向工业化大电流密度的电解水的电极材料仍处于研究之中。

发明内容

针对当前存在的问题，本发明提供了一种三维双金属氧化物集流体电极材料及其室温水相下通过简单氧化腐蚀的制备方法。该电极材料成本低、稳定性好，适用于工业化大电流密度电解水应用，其制备方法简单，适合批量生产、

本发明第一方面公开了一种三维双金属氧化物集流体电极材料，其包括：三维导电集流体基底；活性材料层，为双金属氧化物层，其锚定在所述三维导电集流体基底表面。其中锚定为双金属氧化物层通过表面化学反应生长在三维导电集流体基底表面，双金属氧化物层与三维导电集流体基底之间有化学键合作用。相较于活性材料层涂敷在基底表面更结实，不易脱落。

优选地，所述双金属氧化物层的厚度为0.05-5μm，其组成为M_xN_yO·nH₂O，其中M、N为金属离子且其至少一种为过渡金属离子，x为0.05-0.90，y为0.1-0.95，n为0.3-2.0。

优选地，所述M为V、Cr、Mn或Fe中的一种，N为Al、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Zn中的一种。

优选地，所述三维导电集流体基底为金属或金属合金的三维骨架结构材料。