[发明专利]高分散金属纳米颗粒/生物质碳复合电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种高分散金属纳米颗粒/生物质碳复合电极材料及其制备方法与应用，包括如下步骤：将丝瓜络清洗、碱液浸泡，干燥后待用；将丝瓜络剪碎，向丝瓜络中加入钴盐溶液和二甲基咪唑溶液，静置反应，在丝瓜络表面原位生长ZIF‑67复合物，烘干；将丝瓜络‑ZIF‑67复合物在惰性气体保护下匀速升温煅烧，制得高分散的金属纳米颗粒/碳材料复合物。制备的超薄碳层包覆的金属纳米复合材料，具有金属颗粒分散均匀，化学稳定性好的优点。适宜用于电催化产氧体系，且表现出优异的催化活性。

技术领域

本发明涉及碳基复合材料合成领域，具体涉及一种高分散金属纳米颗粒/生物质碳复合电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

针对日益严重的全球气候变化问题和能源危机，人们一直在寻找可以替代煤、石油等常规能源的新能源。氢气由于具有能量密度高，以及对环境无污染等优点，被广泛认为是最具潜力的替代能源。而水分解技术被认为是一种有前景的获取氢气的形式。水的分解可以看成是两个半反应，即发生在阴极的还原释氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)和发生在阳极的氧化产氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)。电催化HER和OER均是多相反应过程。理论上，水分解所需的电压为1.23V，但实际的外加电压大约为1.8～2.0V。主要原因是由于电催化分解水体系存在三类阻抗，第一类是外电路的电阻，包括导线的电阻和导线与电极连接处的电阻；第二类是物理阻抗，包括气泡在电极表面的吸脱附、离子在电解液中的迁移阻抗等；第三类是电化学反应阻抗，主要是由于电极表面浓差极化和电化学极化产生的过电位。目前电解水主要能耗来源于电极反应的过电位上，这类阻抗实际上来自HER和OER内在的反应动力学能垒。由于产氧过程(四电子反应过程机理)相对于释氢反应(两电子反应过程机理)更加复杂，因此包括水分解产氢在内的多种能源储存技术的效率都受到产氧反应缓慢动力学的限制。所以开发高效的OER催化剂对于电催化分解水体系具有重要的意义。

一直以来，贵金属Ir、Ru及其氧化物(RuO₂和IrO₂等)被认为是性能最好的OER催化材料。但由于贵金属储量少，价格昂贵，限制了该类催化剂的大规模使用。近年来，研究者们开发了包括氧化物(钙钛矿类、尖晶石类等)和非氧化物在内的非贵金属OER催化剂，尤其是以碳材料和过渡金属基化合物为典型代表。纳米金属颗粒因其尺寸小，表面能高，所以采用常规制备方法进行制备时，制备的纳米金属颗粒极易团聚，影响使用性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种高分散金属纳米颗粒/生物质碳复合电极材料及其制备方法与应用，通过在金属纳米颗粒表面包覆超薄碳材料，有效的改善了金属纳米颗粒的分散性和与电解液的接触。

为了解决以上技术问题，本发明的一个或多个实施例提供了以下技术方案：

高分散金属纳米颗粒/生物质碳复合电极材料的制备方法，包括如下步骤：

将丝瓜络清洗、碱液浸泡。通过碱处理，可以除掉丝瓜络纤维之间的有机物等杂质，同时高浓度碱液可以在一定程度上破环丝瓜络纤维，使其呈现三维交联网状多孔结构。丝瓜络经碱液处理一定时间后，用大量超纯水洗至中性，干燥后待用；

将丝瓜络剪碎，向丝瓜络中加入钴盐溶液和二甲基咪唑溶液，静置反应，在丝瓜络表面原位生长ZIF-67复合物，烘干；

将丝瓜络-ZIF-67复合物在惰性气体保护下匀速升温煅烧，制得高分散的金属纳米颗粒/碳材料复合物。

在一些实施例中，碱液为0.8-1.2mol/L的NaOH溶液，浸泡时间为12-24小时。