[发明专利]一种羟基金属氧化物纳米催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开一种羟基金属氧化物纳米催化剂及其制备方法，包括以下制备步骤：1)将导电基底依次用酸、乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，得到表面清洁且富缺陷的导电基底；2)将金属盐和尿素加入到去离子水和有机溶剂中溶解，将溶液转移至反应釜内衬中，随后加入表面清洁且富缺陷的导电基底，在一定条件下水热反应，产物洗涤、烘干得到反应物1；3)将反应物1加入去离子水和碱性溶液中，随后加入氧化剂，油浴条件下磁力搅拌反应，产物洗涤、烘干得到羟基金属氧化物纳米催化剂。本发明填补现有技术制备的析氧反应催化剂合成复杂且活性较低、稳定性较差的问题。

技术领域

本发明属于纳米材料的技术领域，尤其涉及一种羟基金属氧化物纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

氢气是一种能量密度高、清洁无污染的可再生能源。相比于传统的甲烷水蒸气重整，质子交换膜水电解池(PEMWE)由于具有高能量效率、高生产率和高纯度氢气，被广泛认为是将间歇太阳能或风能转化为可持续氢能的极有前景的方式。水电解包括两个半反应：氢析出反应(HER)和氧析出反应(OER)。不幸的是，与阴极侧HER的最小的能量损失相比，在阳极侧的OER仍然受到缓慢反应动力学的制约，成为PEMWE实际应用的主要瓶颈，为此需要设计能够高效析氧的电催化剂来提升PEMWE的效率。迄今为止，贵金属氧化物催化剂(如IrO₂和RuO₂)被认为是最先进的OER催化剂，但是Ir和Ru的低储量是其广泛应用的主要限制。因此，寻找贵金属化合物催化剂的替代品引起了广泛关注。非贵金属(Fe，Co，Ni，Mn和Cu等)及其化合物作为具有应用前景的OER催化剂已经被广泛报道，但是通常仍需要极大的过电势(在10mA cm^-2电流密度下>300mV)来驱动反应。同时，使用非贵金属催化剂替代贵金属催化OER反应存在反应效率低和稳定性差等问题。因此，迫切需要开发具有高活性和高稳定性的非贵金属催化剂来解决以上问题，但这仍然是一个巨大的挑战。

近年来，过渡金属羟基氧化物(MOOH,M＝Co，Fe，Ni等)被证实具有催化析氧反应(OER)的活性而受到广泛的关注和研究。但是目前文献中报道的这类过渡金属羟基氧化物催化剂存在以下问题：1)合成方法较复杂；2)导电性较低；3)反应过程中催化剂颗粒容易团聚从而导致催化活性及稳定性下降。因此，针对以上问题，仍然有大量的工作需要研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的在于制备一种高OER活性的羟基金属氧化物纳米催化剂。

本发明的另一个目的在于提供一种羟基金属氧化物纳米催化剂的制备方法。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。

一种羟基金属氧化物纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将导电基底依次用酸、乙醇、丙酮、去离子水超声清洗，得到表面清洁的导电基底；

2)将金属盐和尿素加入到去离子水和有机溶剂中溶解，将溶液转移至反应釜内衬中，随后加入表面清洁的导电基底，在一定条件下水热反应，产物洗涤、烘干得到反应物1；

3)将反应物1加入到去离子水和碱性溶液中，随后加入氧化剂，油浴条件下磁力搅拌反应，产物洗涤、烘干得到羟基金属氧化物纳米催化剂。

作为优选，在步骤1)中，所述酸选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、高氯酸、次氯酸和醋酸、甲酸、乙二酸中的一种。

作为优选，在步骤1)中，所述导电基底为碳纸、碳布、碳纳米管、钛毡、钛网、泡沫钴、泡沫铁、泡沫镍、泡沫铜、铜箔、铝箔、石墨烯、石墨炔和MXene中的一种。