[发明专利]一种金属气凝胶电催化材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种金属气凝胶电催化材料的制备方法。将金属盐前驱体溶于水中得到金属盐溶液A；将还原剂、碳酸钠混合均匀得到溶液B；将上述溶液B加入到溶液A中得到悬浮液；放入烘箱内静置待其凝胶，凝胶后加入老化液进行溶剂置换；再将湿凝胶进行超临界干燥处理，得到金属气凝胶材料。通过金属粒子自组装技术，经超临界干燥过程最终得到高比表面积、高活性位点和电催化性能优异的气凝胶材料。本发明具有能耗低、工艺简单等特点，容易实现规模生产。

技术领域

本发明属于气凝胶材料的制备工艺领域，尤其涉及采用金属粒子自组装结合超临界干燥工艺的一种金属气凝胶电催化材料的制备方法。

背景技术

近年来随着世界人口的快速增长和经济的快速发展，人们对于能源的需求日益加大。作为不可再生资源的化石燃料即将面对枯竭的危险，更严重的隐患是若持续使用化石燃料将加剧温室效应，造成严重的环境问题。为了发展绿色化学，创造更美好的未来。人们需要寻求清洁能源、可再生能源，而其中电催化的方法就可以较好的解决上述问题。电催化目前在能源领域研究较热的就是电催化产氢 (HER)/产氧(OER)及用于燃料电池领域的氧还原(ORR)反应。所谓电催化HER和OER就是采用电催化的技术电解水，使水分解成氢气和氧气，其中阴极反应对应于HER反应，阳极反应对应于OER反应。在氢氧燃料电池中，阳极氢气氧化(HOR)反应速率极快，而阴极反应的ORR是一个多电子转移过程，包括四部基元步骤和反应中间体，因此这一过程成为反应的速控步，导致反应缓慢。

传统HER和ORR催化剂主要是铂、钯等贵金属及其氧化物材料，而OER 常用的催化剂主要是一些过渡金属氧化物及其复合材料。例如，Yu等采用一步法制备了氮掺杂石墨烯负载钴氧化物纳米晶材料，该材料氧还原途径为典型四电子转移反应，半波电位甚至比商用的Pt/C电极大30mV(Journal of Electroanalytical Chemistry,2017.787:46-54.)。Wu等制备了三维氮掺杂石墨烯气凝胶负载Fe₃O₄纳米粒子作为ORR催化剂，该催化剂在碱性介质中有较高的起始电位和电流密度，氧还原反应为四电子途径，且显示出比铂碳催化剂更好的耐久性(Journal of the American Chemical Society,2012.134(22):9082-9085.)。但是金属及其氧化物普遍比表面积低，活性位点少，导致电催化效率较低，并且这些贵金属材料普遍造价昂贵、资源稀缺，进一步限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是为了改进现有技术存在的不足而提供一种金属气凝胶电催化材料的制备方法。本发明制备的金属气凝胶不仅保留了金属的高催化活性，同时金属用量相对金属纳米颗粒减小，成本降低，同时该材料还保留了气凝胶材料的高比表面积，从而大大提高了催化的效率。该方法工艺简单，结构可控，制备出的气凝胶材料具备高比表、活性位点多和催化性能优异等特性，对实现气凝胶材料在工业化工领域的应用具备积极的生产意义。

本发明的技术方案为：一种金属气凝胶电催化材料的制备方法，其具体步骤如下：

(1)将金属盐前驱体溶于水中，在20～70℃下均匀搅拌，得到金属离子浓度为0.2mM～2mM金属盐溶液A；

(2)将还原剂、碳酸钠按照摩尔比1：(1～10)进行混合均匀，在20～70℃下均匀搅拌，得到溶液B；

(3)将上述溶液B加入到溶液A中，在20～70℃下均匀搅拌，得到悬浮液；其中溶液B中还原剂与溶液A中的金属盐按照摩尔比(5～20)：1进行混合；

(4)将步骤(3)中得到的悬浮液，放入烘箱内静置待其凝胶，凝胶后加入老化液进行溶剂置换；

(5)将步骤(4)中得到的湿凝胶进行超临界干燥处理，得到金属气凝胶材料。