[发明专利]氧化铜掺杂镍铁类水滑石纳米片/石墨烯双功能水分解催化剂的制备方法

说明书

本发明涉及一种氧化铜掺杂的超薄镍铁类水滑石纳米片/石墨烯双功能水分解催化剂的制备方法及其在碱性介质中对析氧反应和析氢反应的电催化应用。本发明以氧化石墨烯为基底，在甲酰胺和水的混合溶液中原位生长氢氧化铜掺杂的超薄镍铁类水滑石纳米片，再通过热处理及化学还原制备氧化铜掺杂的超薄镍铁类水滑石纳米片/石墨烯复合物催化剂，该方法避免了类水滑石的剥离及氧化铜后掺杂等步骤，抑制了石墨烯、氧化铜和类水滑石纳米片的聚集，增加了活性位点，提高了导电性，所得催化剂降低了传质阻力，加快了电子传递速率，提高了其碱性条件下析氧和析氢的催化性能，为开发新型双功能水分解催化剂提供了重要方法。

技术领域：

本发明属于新能源材料技术及电催化技术领域，具体涉及一种氧化铜掺杂的超薄镍铁类水滑石纳米片/石墨烯双功能水分解催化剂的制备方法，还包括催化剂在碱性介质中电解水的析氧反应和析氢反应中的电催化应用

背景技术：

随着由化石燃料引发的全球气候变暖等环境问题突出，氢气能源作为理想的新能源吸引了研究人员的极大关注，包括氢能源的高效存储和转换。在氢能源存储过程中涉及到的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)进程缓慢，是阻碍电解水应用推广中的主要问题之一。在电解水的装置中，常用于HER的催化剂有贵金属 Pt及其合金，而用于OER的催化剂有贵金属Ru、Ir及其氧化物。贵金属催化剂因其地球储量小，价格昂贵等因素，限制了其在新能源方面的应用。并且这些贵金属催化剂只能单一催化OER或者HER。因此，研究开发一种便与生产的、非贵金属的、可同时作用于HER和OER的双功能电催化剂成为研究热点。

镍铁基的材料包括镍铁氢氧化物、氧化物，具有良好的OER催化性。其中，镍铁氢氧化物又称为镍铁类水滑石，是一种二维层状材料，其组成通式可表示为 [Ni_1-x²⁺Fe_x³⁺(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O，由带正电荷的氢氧化物层和与之电荷相平衡的层间阴离子组成。因其地球元素储量丰富，在实际应用中具有良好的前景。实际应用过程中，NiFe-LDH催化剂材料还存在比表面积小、导电性差、易聚集和稳定性差等缺点。为了克服以上缺点，研究者将LDH剥离成单层或多层的类水滑石纳米片(LDHNS)，以提高其比表面积和活性位点，同时将一些碳材料如石墨烯(GR)和碳纳米管(CNT)等材料与LDHNS复合，提高复合材料的导电性，阻止LDHNS聚集，改善其性能。GR是一种sp²杂化碳原子组成的具有一个碳原子厚度的二维材料，具超高的比表面积(～2600m²/g)和优良的导电性(～10⁶S/cm)，能够大大提高电催化反应中的电荷传递和传质效率。而且带负电荷的氧化石墨烯 (GO)与带正电荷的LDH纳米片面对面分子级别的静电堆积，可使LDH纳米片中的过渡金属催化中心与导电的sp²杂化碳原子紧密接触，大大缩短电解质的扩散距离。虽然通过静电组装将LDH和GR进行复合可以解决LDH材料导电性差和聚集等问题，但是在高电位下，电解析氧的效率存在一定的限制，即高电位下催化剂的响应电流密度较小。近年来，关于在铜箔、铜网、铜片上电沉积获得水分解催化剂的报道较多，且高电位下的响应电流密度较大。因此，将铜以氧化铜的形式均匀的掺杂在镍铁水滑石晶格中，可对镍铁水滑石电催化水分解有意想不到的效果。

为了简化催化剂的制备方法，提高工业化生产的可执行性，本发明将二价镍、二价铜和三价铁溶于GO的甲酰胺和水的混合溶液中，以稀碱直接滴定，在GO 基底上原位生长超薄的CuNiFe-LDHNS，再经热化学还原处理制得氧化铜掺杂的超薄镍铁类水滑石纳米片/石墨烯(CuO-NiFe-LDHNS/rGO)水分解催化剂。目前采用此法制备CuO-NiFe-LDHNS/rGO水分解催化剂以及该催化剂用于碱性条件下的电解水反应的研究还未见报道。