[发明专利]自支撑镍-三氧化二钇电催化析氢电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种自支撑镍‑三氧化二钇电催化析氢电极及其制备方法和应用，自支撑镍‑三氧化二钇复合电极包括：导电基底以及原位负载在导电基底上的镍‑三氧化二钇，所述镍‑三氧化二钇为镍纳米颗粒和三氧化二钇纳米颗粒紧密接触而成，本发明的自支撑镍‑三氧化二钇复合电极为自支撑电极，与传统物理涂覆的电极相比，电催化剂原位负载可以使催化剂和导电基底之间无缝接触，有利于导电基底和电催化剂之间的电子传输，增强电催化剂和导电基底之间的粘合力，并可增加催化活性位点的暴露，有利于电极气液固三相界面接触；作为析氢电催化剂具有较高的催化效率。

技术领域

本发明属于氢析出电催化剂技术领域，具体来说涉及一种自支撑镍-三氧化二钇电催化析氢电极及其制备方法和应用。

背景技术

氢能是一种清洁且可持续的能源，具有高能量密度、碳零排放和储量丰富等优点，是传统化石燃料的有效替代品。在各种制氢方法中，电解水制氢的方法被认为是规模化、可持续的产氢途径之一。电解水涉及氢析出反应(HER)和氧析出反应(OER)，迟缓的动力学使其都需要催化剂。为了提高效率，工业电解水制氢往往在酸性或者碱性条件下进行。由于酸性条件下缺少稳定的非贵金属OER催化剂而不得不使用大量Ru/Ir基催化剂，但贵金属的高成本和稀缺性限制了其大规模应用。因此发展碱性电解水技术更有利于电解水技术的大规模应用，但在碱性条件下HER涉及到水分子的分解(Volmer步骤)表现出了比酸性条件下低二到三个数量级的反应动力学。因此，开发碱性条件下高效稳定的非贵金属HER催化剂具有重要意义。

目前，碱性条件下的非贵金属HER催化剂已经被大量开发，包括过渡金属碳化物、硫化物、磷化物、合金和氮化物及其复合物等。由于价格低廉、活性高、导电性好等优势，镍基催化剂引起了广泛的关注，并已有镍基催化剂被用作碱性工业电解水HER催化剂，例如Raney镍、Ni-W-P、Ni-S合金和Ni-Mo合金等(M.Gong,D.-Y.Wang,C.-C.Chen,B.-J.Hwang,H.Dai,Nano Res.,2016,9,28-46)，但镍基HER催化剂的催化活性和稳定性依然低于贵金属催化剂，仍有较大提升空间。根据碱性条件下HER催化机理可得，为了提高镍在碱性条件下的HER催化活性，需要减低其对水的解离能(碱性HER中的Volmer步骤)。最近有文献报道称第一过渡系金属氧化物或者氢氧化物可以促进碱性HER催化剂对水的解离，因此在金属镍中引入第一过渡系金属氧化物或者氢氧化物构筑双功能催化活性位点成为促进其碱性HER催化活性的有效策略之一，例如：Li_xNiO/Ni,Ni/Ni-Cr₂O₃、NiMo/Ni(OH)₂和Ni/V₂O₃等复合催化剂均采用了此“双功能催化活性位点”的策略(K.Lu,Y.Liu,F.Lin,I.A.Cordova,S.Gao,B.Li,B.Peng,H.Xu,J.Kaelin,D.Coliz,C.Wang,Y.Shao,Y.Cheng,J.Am.Chem.Soc.2020,142,12613-12619；M.Gong,W.Zhou,M.J.Kenney,R.Kapusta,S.Cowley,Y.P.Wu,B.Lu,M.-C.Lin,D.-Y.Wang,J.Yang,B.-J.Hwang,H.J.Dai,Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,11989-11993；；C.Y.Li,J.K.Wang,Y.J.Wang,J.X.Li,Z.P.Yao,Z.H.Jiang,ChemistrySelect,2020,5,6774-6779；Y.Chen,Y.Rao,R.Z.Wang,Y.N.Yu,Q.L.Li,S.J.Bao,M.W.Xu,Q.Yue,Y.N.Zhang,Y.J.Kang,Nano Res.,2020,13,2407-2412)。然而，由于第一过渡系金属氧化物或者氢氧化物在析氢电位下容易被还原成金属或者更低价态化合物(J.Z.Huang,J.C.Han,T.Wu,K.Feng,T.Yao,X.J.Wang,S.W.Liu,J.Zhong,Z.H.Zhang,Y.M.Zhang,B.Song,ACSEnergy Lett.,2019,4,3002-3010)，使其失去促进水分解的作用，大大降低了催化剂的稳定性。三氧化二钇(Y₂O₃)因具有较高的热力学稳定性和较强的水分解能力，是一种潜在的碱性HER催化剂“水分解促进剂”，但还没有被用来与析氢催化剂相结来促进其碱性条件下的析氢催化性能。另外，传统的催化剂都是纳米粉体状，需要粘结剂将其涂覆在导电基底上，不仅增加了电极制备成本而且这种物理黏附的催化剂在导电基底上不稳定，在大电流密度下容易脱落，不能满足工业电解水的要求。