[发明专利]铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料及其制备方法和应用。该方法包括：将铜氧化为氢氧化铜，洗涤、干燥后，得到线状阵列结构；将线状阵列结构浸泡在含金属离子的甲醇溶液中，金属离子充分生长于线状阵列结构上；再置于2‑甲基咪唑的甲醇溶液中至固体物质由蓝色变为紫色，洗涤、干燥后，得到自支撑结构@ZIF；所述金属离子为Co离子和Zn离子；将自支撑结构@ZIF置于含Co离子和Zn离子的乙醇溶液中，在密闭环境中进行溶剂热反应至固体物质由紫色变为灰色，得到电极材料。电极材料具有高度有序的空心纳米阵列，大量缺陷孔存在于纳米阵列表面，为催化过程提供了更多的活性位点和通畅的电子传输通道，可以作为电解水装置的正极和负极。

技术领域

本发明属于电催化全解水产氢领域，具体是一种铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，氢能因其非凡的能量密度、可持续性和零排放被视为最有前途的替代传统化石能源的可再生能源之一，引起了人们越来越多的关注。因此，开发高效生产纯氢气的途径变得十分必要和紧迫。电解水是解决此要求的一种理想选择，它是将纯水通过电化学的方法分解转化为用于储能的氢，包括阳极氧气逸出反应(OER)和阴极氢气逸出反应(HER)。然而，这两个反应都存在固有能垒和电子转移缓慢的问题。

电解水的电催化剂中，主要是用于催化OER反应的Ir/Ru基和用于催化HER的Pt基商业贵金属催化剂，但是这些贵金属催化剂的昂贵成本和有限的储量严重阻碍了大规模应用。此外，粉末电催化剂通常使用聚合物粘合剂固定活性物质以制备电极，而聚合物粘合剂不仅会阻塞活性位点，而且还会增加界面电阻。文献《Z.Chen,Y.Ha,H.Jia,X.Yan,M.Chen,M.Liu,R.Wu,Oriented Transformation of Co-LDH into 2D/3D ZIF-67to Achieve Co-N-C Hybrids for Efficient Overall Water Splitting,Adv.Energy Mater.9(2019)1803918》中利用Co氢氧化物在碳纤维上自支撑合成了高效电解水催化剂，但碳纤维作为自支撑体不可避免会遇到前期处理复杂，稳定性差等问题。因此，设计高活性和高稳定性的新型非贵金属自支撑电极材料成为实现高效电解水的重要途径。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料及其制备方法和应用。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、将铜氧化为氢氧化铜，然后洗涤、干燥后，得到氢氧化铜纳米线状阵列结构；

步骤2、将步骤1得到的产物浸泡在含金属离子的甲醇溶液中，使得步骤1的产物与金属离子充分接触，金属离子充分生长于步骤1的产物上；再置于2-甲基咪唑的甲醇溶液中至固体物质由蓝色变为紫色，然后洗涤、干燥后，得到氢氧化铜自支撑纳米线状阵列结构@ZIF；所述金属离子为Co离子和Zn离子；

步骤3、将步骤2得到的产物置于含Co离子和Zn离子的乙醇溶液中，在密闭环境中进行溶剂热反应至固体物质由紫色变为灰色，得到铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料。

本发明解决所述电极材料技术问题的技术方案是，提供一种所述的铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料的制备方法得到的铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料。

本发明解决所述应用技术问题的技术方案是，提供一种所述的铜钴锌复合自支撑纳米阵列电极材料在电解水中的应用，其特征在于，将所述电极材料作为正极和负极，与碱性电解液组装成电解水装置。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：