[发明专利]非晶氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种非晶氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将泡沫镍基底超声清洗，干燥得清洗后泡沫镍基底；然后固定在脉冲激光沉积系统样品台上，以氧化钌为靶材，在氧分压和激光能量密度恒定条件下，预烧灼，然后取下挡板沉积，在氮气气氛下取出样品，得氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极。本发明还包括非晶氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极在空气电池中的应用。本发明通过激光脉冲在泡沫镍基底上沉积生长非晶氧化钌，所得电极材料结合力高，稳定性好，并将电极材料应用于金属‑空气电池中，不易腐蚀脱落，有效解决了复合电极结合力低稳定性差、反应时易腐蚀脱落、活性位被包覆导致利用率降低的问题。

技术领域

本发明属于复合电极技术领域，具体涉及一种非晶氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极及其制备方法和应用。

背景技术

可充电金属-空气电池是一种将化学能转化为电能的装置。放电时，金属在阳极被氧化，产生电子和质子，电子通过外部回路到达阴极，在阴极上还原氧气形成O^2-(氧还原，ORR)，从而构成外部电流通路，提供电能。充电时，金属离子被还原在阳极沉积，H₂O在阴极被氧化生成O₂(氧析出，OER)，从而完成充电过程。可充电金属-空气电池中的阴极一般由催化层、集流体和空气扩散层三部分压制而成。催化层由具备充电功能或放电功能的活性催化剂构成，是实现充放电的核心部分。集流体由具有优良导电性能的金属基底构成，是负责将催化剂反应产生的电子导出到外部电路的部件。空气扩散层由透气，且不透水的高疏水材料构成，是负责提供氧气通路，保护电解液的关键部件。

据研究显示，镍基氧化钌复合电极在电催化领域中已经有了初步的研究，主要应用于乙醇氧化和析氢反应(HER)，而应用于金属-空气电池阳极催化分解水制氧气的研究(OER)还比较少。尤其是，以往的报道和专利均聚焦于“晶态氧化钌复合镍”，而关于“非晶态氧化钌复合镍”的研究还比较少。非晶态氧化钌薄膜包覆泡沫镍在碱性溶液中具有更好催化活性，自适应性和耐久性，能够有效催化促进OER反应的进行，实现快速充电。

目前，空气电极催化剂的制备多采用浸渍法、溶胶凝胶法、化学气相沉积以及电沉积等化学制备工艺，这些工艺制备出的复合材料不能有效实现催化层和集流体之间的复合，使得催化剂和集流体之间的结合力低，稳定性差。当前所使用的的大部分催化剂需要通过粘接剂和导电碳负载在集流体表面。如果将以上所述技术用于当金属-空气电池中作为OER催化剂，当氧析出反应发生时，催化剂表面会产生大量氧气使得其被腐蚀，从而引发催化剂脱落的严重后果。同时粘接剂等有机成分的引入会使得催化剂表面的活性位被包覆，导致催化剂的部分失活，降低催化剂的利用率。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种非晶氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极及其制备方法和应用，通过激光脉冲在泡沫镍基底上沉积生长非晶氧化钌，所得电极材料结合力高，稳定性好，并将电极材料应用于金属-空气电池中，不易腐蚀脱落，有效解决了复合电极结合力低稳定性差、反应时易腐蚀脱落、活性位被包覆导致利用率降低的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种非晶氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将泡沫镍基底依次在丙酮、无水乙醇和4～6vt％稀硫酸中超声清洗20～40min，去离子水冲洗2～4次，在50～70℃温度下真空干燥11～13h，得清洗后泡沫镍基底；

(2)将步骤(1)清洗后的泡沫镍基底固定在脉冲激光沉积系统样品台上，以氧化钌为靶材，在氧分压和激光能量密度恒定条件下，开启脉冲激光器，预烧灼2～5min，然后取下挡板沉积30～90min，再在氮气气氛下取出样品，得氧化钌薄膜包覆泡沫镍复合电极。

进一步，泡沫镍基底与靶材之间的距离为50～80mm。