[发明专利]一种多级孔道结构的电催化析氢电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种多级孔道结构的电催化析氢电极，包括具有多级孔道结构的催化剂层以及具有微纳结构的基底层；催化剂层在整个电极中的负载量为0.001‑0.05g/cm²；其中，催化剂层的厚度为0.2‑1000nm，孔道直径为0.1‑100nm，孔隙率为5‑90％，比表面积为100‑1800m²/g。该电极的催化剂层孔隙率高、比表面积大，能够提供的活性位点多，催化活性高；同时催化剂的载量少、厚度小，表面张力低，使析氢过程中电极表面产生的气泡能够快速从电极析出，进一步提高了催化活性。化学键原位生长的制备过程也使催化剂层具有优异的环境服役性和超长的使用寿命。

技术领域

本发明涉及电催化析氢技术领域。更具体地，涉及一种多级孔道结构的电催化析氢电极及其制备方法和应用。

背景技术

随着化石能源的进一步消耗，开发可替代的新能源迫在眉睫。作为一种具有较高燃烧值、清洁无污染、可循环利用的氢能越来越受到广大科研工作者的关注。尽管制备氢气的方法很多，但是在发展过程中存在的问题依然很多，比如生产设备要求高、生产过程耗能高、生产所需工艺复杂、所得产物不纯净等。因此，开发研究出一种能耗低且效率高的析氢方法势在必行。水电解制氢是实现工业化廉价制备氢气的重要手段，但该技术存在的最大问题是电能消耗大，使得生产成本偏高。造成电能消耗大的主要原因是电解电极的析氢过电位过高，因此研究降低析氢过电位来降低电解能耗尤为重要。

目前所报道的析氢催化剂的催化活性以铂催化剂最佳，但因其地壳储量少，价格昂贵。因此，现有的氢析出Pt催化剂的研究主要集中在如何降低Pt的负载量。降低Pt的负载量主要有两条途径:(1)增加Pt的比表面积，让同质量的Pt暴露出更多的催化活性位点，如将Pt制备出单原子层、纳米线、纳米颗粒或纳米簇，甚至单原子催化剂；(2)进一步增加含Pt催化剂的催化活性，如与其他金属和非金属形成金属合金或者金属-非金属复合物。这两条路径最典型的代表就是商业化的Pt/C析氢催化剂，但催化剂制备成电极需要特定的粘结剂，如Nafion溶液，粘结剂的使用会使催化剂的催化活性和稳定性受损，但直接在电极基底上制备无粘结剂的含Pt催化剂的析氢活性却很低，极难满足商业化的需求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种多级孔道结构的电催化析氢电极，该电极中催化剂具有多级孔道结构、孔隙率高、比表面积大，能够提供的活性位点多，催化活性高；同时催化剂的负载量小，表面张力低，使析氢过程中电极表面产生的气泡能够快速从电极析出。

本发明的第二个目的在于提供一种多级孔道结构的电催化析氢电极的制备方法。

本发明第三个目的在于提供一种多级孔道结构的电催化析氢电极的应用。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

第一方面，本发明提供一种多级孔道结构的电催化析氢电极，包括具有多级孔道结构的催化剂层以及具有微纳结构的基底层；催化剂层在整个电极中的负载量为0.001-0.5g/cm²；其中，催化剂层的厚度为0.2-1000nm，孔道直径为0.1-100nm，孔隙率为5-90％，比表面积为100-1800m²/g。

可选地，所述催化剂层是通过多脉冲气相渗透法在基底层上通过化学键原位生成的。

本发明中催化剂层是通过多脉冲气相渗透法在基底层上通过化学键原位生成的，催化剂层能够稳定的保持基底层上的微纳结构，且多脉冲气相渗透法的一个沉积循环形成的催化剂层的厚度仅有0.082-0.12nm，通过控制沉积循环次数，可以有效的控制得到的催化剂层的厚度，得到纳米级厚度的催化剂层，负载量仅为0.001-0.5g/cm²。通过形成化学键原位生长的形成过程，电极制备过程中不需要使用粘结剂如Nafion溶液，避免了粘结剂对催化剂层的催化活性和稳定性的破坏；同时生成的催化剂层还具有优异的环境服役性和超长的使用寿命。