[发明专利]一种电催化氨氧化制氢电极材料、制备方法及其用途

说明书

本发明提供了一种电催化氨氧化制氢电极材料及其制备方法和用途，属于电催化材料技术领域。该电催化氨氧化制氢电极材料价格便宜，易于制备，性能稳定，显著区别于常规的Pt基电催化氨氧化制氢电极材料(价格昂贵且易吸附氮原子中毒失活)。一种电催化氨氧化制氢电极材料，其化学式为：Cu₂O‑Ni(OH)₂/NF；NF(泡沫镍用NF表示)为基底，Ni(OH)₂为纳米片形貌，Cu₂O为纳米线形貌。本发明制备的一种具有Cu₂O纳米线编织生长在Ni(OH)₂纳米片上三维立体结构，其互相编织形成的包覆结构有利于维持Cu₂O纳米线在电催化过程中的物理和化学结构，因而显著提高了电极材料的催化活性和稳定性。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，特别涉及一种电催化氨氧化制氢电极材料、制备方法及其用途。

背景技术

氢能是众多能源形式中最具发展前景的清洁能源之一，它具有燃烧热值高、燃烧产物清洁、来源广泛等优点，是燃料电池理想的能源载体。然而，氢气的高密度存储一直是制约氢能经济发展的主要技术障碍。目前，最先进的丰田燃料电池汽车Mirai所使用的碳纤维高压储氢罐需要700bar的压力获得的氢能量密度为5.3GJ m^-3，具有技术难度大、成本高、安全隐患大、体积能量密度偏低的不足。因此，探寻具有高容量、安全、可在室温附近操作的新型储氢方法以实现氢能的高效利用变得至关重要。

借助富氢物质在线催化产氢，如电催化氨分解制氢技术，可以提供一种新的高效氢源。相比其它储能技术，氨由于具有高含氢量、易压缩储运、分解产物无CO_x等特点，是一种十分有潜力的车载高能储氢载体，可以有效的解决高压气态储氢带来的安全与成本问题。氨的含氢量高达17.65wt％，相比采用700bar的高压储氢(能量密度为5.3GJ/m³)，氨气可在10bar下被液化达到13.6GJ/m³的能量密度，显著高于高压气态储氢(Journal of TheElectrochemical Society 165(2018)J3130-J3147)。同时，相对较低的压力既减少了高压设备的成本，也减小了高压压缩带来的额外能量消耗。此外，电催化氨分解制氢(NH_3(aq)＝3/2H_2(g)+1/2N_2(g))理论上仅需要0.06V的电压即可实现，只需消耗少量电能即可获取源源不断的氢气以供氢燃料电池发电。同时，氨化学性质稳定、安全性能高、价格便宜，使用液氨进行燃料补给如同常规汽车加油一样方便快捷。

在电催化氨分解反应中，阳极氨氧化反应涉及六电子转移及氮氮三键的形成，该过程动力学缓慢，需要较大的过电位来加速反应，因此开发高效的阳极催化剂来降低过电位具有非常重要的意义。目前，关于氨氧化反应的研究大部分都是以Pt基催化剂为电极材料，虽然Pt基催化剂在氨氧化反应中具有较小的过电势，但是也存在着价格昂贵及易吸附N原子毒化活性中心而快速失活的问题，从而限制了Pt基催化剂的电流密度和稳定性(Current Opinion in Electrochemistry 9(2018)151-157)。另外由于贵金属Pt资源匮乏、价格昂贵，导致其制备成本昂贵，难以实现大规模生产应用。所以探寻储量丰富、价格便宜的高效氨氧化电催化剂是电催化氨分解技术难题。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种电催化氨氧化制氢电极材料；本发明的第二个目的是提供一种上述电催化氨氧化制氢电极材料的制备方法；本发明的第三个目的是提供一种上述电催化氨氧化制氢电极的用途。

本发明的第一个目的可通过下列技术方案来实现：一种电催化氨氧化制氢的电极材料，其特征在于，其化学式为：Cu₂O-Ni(OH)₂/NF；NF(泡沫镍用NF表示)为基底，Ni(OH)₂为纳米片形貌，Cu₂O为纳米线形貌。