[发明专利]用于析氢析氧反应的电催化剂材料及其制备方法、用途

说明书

本发明公开了一种用于析氢析氧反应的电催化剂材料及其制备方法、用途，制备方法包括以下步骤：去除丝素蛋白水溶液中的水分，得到丝素蛋白膜。将乙酰丙酮钴、偏钨酸铵和氯化钾溶于水中得到前驱体溶液。将丝素蛋白膜置于前驱体溶液中进行浸渍处理，并在浸渍处理后取出去除水分，得到干燥的丝素蛋白膜。对干燥的丝素蛋白膜进行热处理，使丝素蛋白膜中的丝素蛋白分子碳化为掺氮碳基，且氯化钾在热处理过程中在掺氮碳基表面形成多个纳米级孔，同时乙酰丙酮钴转化为氧化钴和三氧化二钴、偏钨酸铵转化为氧化钨和碳化钨。本发明电催化剂材料具备在水电解反应中催化析氢反应和析氧反应的双催化功能，并能保持高催化活性、高催化效率和高催化稳定性。

技术领域

本发明涉及电催化剂制备技术领域，具体的是一种用于析氢析氧反应的电催化剂材料及其制备方法、用途。

背景技术

能源危机引发了许多挑战，促使研究人员努力探索可持续和高效的能源生产方式。在目前生产绿色能源的方法中，水电解不会产生任何直接的碳排放，被认为是一种成本效益高、环境友好的技术。然而，水电解的两个半反应，即析氢反应(HER)和析氧反应(OER)，由于其反应动力学缓慢和能量势垒巨大，阻碍了水电解的效率，因此，在水电解反应中需要加入电催化剂以提高效率。

传统的金属类催化剂，多选用铂族金属、钌基材料和铱基材料。铂族金属被认为是高效的HER催化剂，而钌基材料和铱基材料可以提高OER的效率，但这类催化剂的成本高、资源匮乏，而其他的金属催化剂的催化性能不够理想。

通过研究发现，当过渡金属化合物负载在适当的载体上时，过渡金属化合物的催化活性会得到提高。

基于上述，本申请发明人从金属催化剂和催化剂载体两方面入手，探究一种成本低但具有高催化能力，能够用于水电解反应中的析氢反应和析氧反应的电催化剂材料。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种用于析氢析氧反应的电催化剂材料及其制备方法、用途，制备得到的电催化剂材料具备在水电解反应中催化析氢反应和析氧反应的双催化功能，并能够保持高催化活性、高催化效率和高催化稳定性。

本发明公开了一种用于析氢析氧反应的电催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：

去除丝素蛋白水溶液中的水分，得到丝素蛋白膜；

将乙酰丙酮钴、偏钨酸铵和氯化钾溶于水中得到前驱体溶液，其中，所述前驱体溶液中乙酰丙酮钴的浓度为16.75-33.5mmol/L、偏钨酸铵的浓度为16.75-33.5mmol/L、氯化钾的浓度为300-350mmol/L；

将所述丝素蛋白膜置于所述前驱体溶液中进行浸渍处理，使得丝素蛋白膜中的丝素蛋白分子形成结晶区和非结晶区，从而使得前驱体溶液中的乙酰丙酮钴、偏钨酸铵和氯化钾能进入丝素蛋白分子的非结晶区；

将浸渍处理后的丝素蛋白膜从所述前驱体溶液中取出并去除水分，得到干燥的丝素蛋白膜；

对干燥的丝素蛋白膜进行热处理，使得丝素蛋白膜中的丝素蛋白分子碳化为掺氮碳基，以及使得丝素蛋白膜中的氯化钾转变为熔融态而在掺氮碳基中产生直径在50-150nm以上的大孔，进而使得熔融态氯化钾中的氯离子在掺氮碳基表面刻蚀出直径在2nm以下的微孔、熔融态氯化钾中的钾离子与掺氮碳基中碳元素和空气中的氧元素结合形成碳酸钾并分解产生逸出的二氧化碳而在所述掺氮碳基上形成大孔和直径在2-50nm之间的介孔，同时使得丝素蛋白膜中的乙酰丙酮钴转化为氧化钴和三氧化二钴、偏钨酸铵转化为氧化钨和碳化钨。

作为优选，所述丝素蛋白水溶液的制备方法包括如下步骤：

将蚕茧置于0.05-0.15％的碳酸钠溶液中，90-110℃水浴1-2h，以脱去丝胶；

将脱去丝胶的蚕茧用水进行清洗，以去除蚕茧中的碳酸钠；

将氯化钙、乙醇和水以重量比1:2:8配置为三元体系溶液；