[发明专利]一种负载氢氧化铁和碳酸锰的镍自支撑电极的制法及应用

说明书

一种负载氢氧化铁和碳酸锰的镍自支撑电极的制法及应用，其属于电催化纳米异质结材料。该方法为将泡沫镍超声洗涤后，加入到装有氯化锰和尿素混合溶液的不锈钢水热反应釜中，将泡沫镍浸没于溶液中进行水热反应；然后在硝酸铁的溶液中，采用三电极体系进行电沉积，最终得到氢氧化铁/碳酸锰‑泡沫镍的自支撑电极。该电极具有纳米片包覆的三维立方体结构，有利于增大材料的比表面积并且能够暴露更多的活性位点。同时电极中含有碳酸锰材料，锰元素具有丰富的价态结构，可以提高电荷的转移速率。该电极对于电催化水氧化具有高效的性能，具备很好的商业价值。

技术领域

本发明属于电催化纳米异质结材料，具体涉及一种用于高效电催化水氧化的负载氢氧化铁和碳酸锰的自支撑泡沫镍电极制备方法。

背景技术

由于传统的化石能源（煤，石油，天然气）的过度使用，造成了严重的环境污染、温室效应、能源危机等问题。这就使得人们去探索可以代替传统化石能源的清洁能源，目前已经投入到使用的清洁能源有：太阳能、风能、地热能、潮汐能和氢能等。其中氢能作为一种清洁能源有如下优点：（1）氢气来源广泛；（2）氢气具有很大的能量密度(120mg/kJ)；（3）氢气的燃烧产物是水，对环境无污染。经过人们多年的研究发现，电催化水分解制氢是一种高效可行的技术。水分解反应分为阳极的水氧化反应和阴极的质子还原反应，其中水氧化反应经历多电子和质子的转移需要较高的自由能，因此水氧化反应是制约水分解的关键反应。这就需要高效的水氧化催化剂来催化反应地进行。目前已经投入到实际应用的催化剂往往是一些贵金属催化剂（钌、铱、铂），但由于贵金属价格高昂、储量较低无法大规模投入应用。因此人们目前致力于非贵金属催化剂的研究。其次，基底的选择也十分重要，泡沫镍具有三维多孔结构，这种结构有利于电解液的渗透和活性位点的暴露，通过水热法和电沉积法在泡沫镍上面制备氢氧化铁/碳酸锰自支撑电极，其形貌为纳米片包覆的三维立方体结构，这种结构有助于增大材料的比表面积并且能够暴露更多的活性位点。同时，碳酸锰中锰元素具有丰富的价态结构，可以提高电荷的转移速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高效电催化水氧化的负载氢氧化铁和碳酸锰的自支撑泡沫镍电极制备方法，主要解决现有技术中催化活性低，过电位高，稳定性差等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种负载氢氧化铁和碳酸锰的镍自支撑电极的制备方法，包括如下步骤：

（S1）将所需的基底泡沫镍裁成2*3cm的小块，分别用稀盐酸，无水乙醇，超纯水超声洗涤20分钟；

（S2）在50ml聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中加入氯化锰和尿素的混合溶液，将（S1）超声洗涤后的泡沫镍浸没于上述溶液当中，并在120℃下水热反应8-15h，得到负载碳酸锰的泡沫镍电极；所述尿素的浓度为0.1-0.2mol/L；所述氯化锰溶液的浓度为0.01-0.05mol/L；

（S3）将（S2）所得负载碳酸锰的泡沫镍电极裁成1*1cm的大小，然后在硝酸铁的溶液中，采用三电极体系进行电沉积得到氢氧化铁/碳酸锰-泡沫镍自支撑电极，沉积电位为-0.8V-1.5V(vsAg/AgCl电极)，沉积时间为为100-600s；所述硝酸铁的浓度为0.005-0.02mol/L；

（S4）将得到的自支撑电极用超纯水洗涤，去除表面残余离子，自然晾干。

所述氢氧化铁/碳酸锰-泡沫镍自支撑电极应用于电催化水氧化的反应中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:

（1）本发明采用的基底泡沫镍具有三维多孔结构，这种结构有利于电解液的渗透和活性位点的暴露

（2）本发明所制备的氢氧化铁/碳酸锰-泡沫镍自支撑电极是一种纳米片包覆的三维立方体结构，这种结构有利于增大材料的比表面积并且能够暴露更多的活性位点。