[发明专利]一种双功能全解水电催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及电解水催化剂领域，提供了一种双功能全解水电催化剂，包括网状结构的载体镍、负载于载体镍上的铬以及生长于载体镍上的硫化镍。本发明还提供的一种双功能全解水电催化剂的制备方法，包括：将含硫单体与铬酸盐以及溶剂混合均匀制得混合溶液；将混合溶液与泡沫镍混合进行热反应。该全解水电催化剂，兼具催化析氢和催化析氧的功能，并且可以降低电化学分析的反应超电势，促进反应的电子传递，加速水分子吸附，加快反应速率，在极端条件下稳定性好。本发明提供的双功能全解水电催化剂或本发明提供的双功能全解水电催化剂的制备方法制得的双功能催化剂可应用于电解水。

技术领域

本发明涉及电解水催化剂领域，具体而言，涉及一种双功能全解水电催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

目前，对化石燃料的过度依赖及其不可避免的枯竭已引起人们对全球环境污染和能源危机的日益关注，近年来刺激了对可再生和清洁能源替代品的深入研究。氢被认为是化学燃料的理想替代品。水电解为我们提供了一种生产高纯度氢的简单方法，分为两个半反应：阴极的析氢反应(HER)和阳极的氧气析出反应(OER)。HER和OER对整体水分解效率都极其重要。与理论最小值1.23V相比，商用电解水通常在1.8-2.0V的较大电压下工作，这与能耗和电效率密切相关，通常越大的工作电压要消耗越多的电能。通过使用有效的电催化剂可以降低过电位，使整个过程能耗更低。目前基于Pt的HER催化剂和基于Ru或Ir的OER催化剂，可以有效降低工作电压至1.55-1.65V，然而由于其稀缺性和高成本，限制了它们的广泛使用。因此，迫切需要设计和开发非贵金属水分解电催化剂。

Ni基材料已经被作为低成本HER(氧化物，磷化物，硫属元素化物)和OER(氧化物，氢氧化物，硫属元素化物，氮化物)催化剂进行了深入研究。然而，为了实现全解水，HER和OER催化剂必须在强酸性或碱性溶液中起作用以使过电势最小化，这对于大多数非贵金属电催化剂来说是一个巨大的挑战，因为它们可能在极端情况(酸性或碱性环境)下不稳定。鉴于碱性电解水已经发现用于商业产氢，因此制备高效的双功能催化剂应用在强碱性介质中的两种反应是非常有吸引力的，这可以简化系统并降低成本。然而，目前仅开发了有限的基于泡沫镍的催化剂，并且大部分镍基催化剂在极端工作条件下不稳定。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明提供了一种双功能全解水电催化剂及其制备方法，至少能够改善现有的镍基催化剂在极端工作条件下不稳定的问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供的一种双功能全解水电催化剂，包括网状结构的载体镍、负载于载体镍上的铬以及生长于载体镍上的硫化镍。

本发明提供的一种双功能全解水电催化剂的制备方法，包括：将含硫单体与铬酸盐以及溶剂混合均匀制得混合溶液；将混合溶液与泡沫镍混合进行热反应。

本发明提供的双功能全解水电催化剂或本发明提供的双功能全解水电催化剂的制备方法制得的双功能催化剂可应用于电解水。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的双功能全解水电催化剂，由于镍具有丰富多样的化学价，反应中利于电子转移，故对催化有显著的作用；硫化镍晶体之间以及硫化镍和镍网之间有化学耦合作用可以促进催化性能。因此，本发明提供的催化剂可以降低电化学分析的反应超电势，促进反应的电子传递，加速水分子吸附，加快反应速率。阴极(析氢)反应时催化剂中硫作为活性位催化位点。阳极(析氧)反应时，催化剂中铬和镍作为活性位催化位点。铬掺杂后，电阻减小，电阻传输速度加快，催化剂比表面积加大，活性位点增多，反应决定步骤的能量大大降低。因此将该催化剂作为双功能催化剂应用于电解水时能大大提高电解效率。而催化剂中硫化镍直接生长在载体镍上相比与常规的滴涂方式将催化剂负载在导电基底材料上催化剂与载体镍之间具有更强的作用力，因此在酸碱情况下具有更好的耐化学性。