[发明专利]基于巯基苯并噻唑制备双功能电解水催化剂的方法

说明书

本发明利用防锈剂分子2‑巯基苯并噻唑对金属离子的强络合作用，以及加热过程中释放出氨气提供碱性条件的特性，在泡沫镍导电基底上一步原位合成钼镍铁类水滑石/纳米碳双功能催化剂。该方法避免了有机分子衍生碳基催化剂严苛的高温条件，前驱体溶液中金属络合物的分子特性能使金属种类纳米粒子均匀地分散在纳米碳载体上，使其增加比表面积和活性位点；以及金属种类与碳材料之间的接触和相互作用，加快了电子传输速率、导电性和稳定性，使其表现出良好的电催化性能，为潜在的双功能电解水催化剂的开发提供了重要思路和方法。

技术领域：

本发明属于新能源材料技术及电催化技术领域，具体涉及溶剂热法一步原位合成钼镍铁类水滑石/纳米碳/泡沫镍双功能电催化剂的方法，还包括催化剂在碱性电解水阳极析氧反应、阴极析氢反应和全解水中的电催化应用。

背景技术：

电解水被认为是最有前途的制氢技术之一。但电解水的大规模商业应用受以下三方面的限制：(i)驱动整体水分解仍需要较大的过电位(相对于水分解的理论电位1.23V而言)；(ii)催化剂的稳定性差；(iii)贵金属基电催化剂的高成本。目前，析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的基准电催化剂仍是Pt基和Ru/Ir的贵金属催化剂，除了较高的成本，贵金属在水分解过程中还会出现溶解、团聚和耐久性差等问题。

类水滑石基催化剂由于其低成本、化学组成结构可调控和制备工艺简单逐渐引起研究人员的关注。镍铁类水滑石作为典型的类水滑石基催化剂虽然具有出色OER性能但HER性能并不突出。且单独的类水滑石材料存在导电性和稳定性差等问题。这些问题阻碍了镍铁类水滑石作为双功能电催化剂的发展。

本发明以防锈剂2-巯基苯并噻唑(MBT)为配体，泡沫镍为导电基底，通过溶剂热的方式，一步原位合成了钼镍铁类水滑石/纳米碳/泡沫镍复合物电催化剂，可避免在严苛的高温条件就能实现类水滑石和碳基催化剂的复合。通过引入钼元素，可改善镍铁类水滑石HER活性不佳的问题。MBT防锈剂分子对金属离子具有强络合作用，其极性基团在前驱体溶液中可将铁离子和镍离子牢牢地络合固定，使其在溶剂热过程中使形成的NiFeMo-LDH嵌入纳米碳，而且还为氮掺杂纳米碳载体的形成提供了碳源和氮源。虽然钼酸根离子没有被MBT络合，但在MBT转化为氮掺杂纳米碳起到催化作用。

本发明仅通过简单的溶剂热便实现了类水滑石纳米片和纳米碳载体的复合，纳米碳载体和泡沫镍导电基底为类水滑石纳米片提供机械支撑，提高了复合催化剂的导电性和稳定性。前驱体溶液中金属络合物的分子特性有利于生成的NiFe-LDH/MoO₃纳米粒子的均匀分布，使更多活性位点暴露。一步原位合成的方法增强了金属活性位点与纳米碳之间的相互作用和接触面积，加快了电子传输速率。该方法所得电催化剂充分发挥了类水滑石和纳米碳在电催化方面的协同作用，对开发新型双功能电解水催化剂具有重要意义。

发明内容：

针对现有衍生碳基催化剂存在的严苛制备条件以及本领域研究和应用的需求，本发明的目的之一是提供一种制备类水滑石/纳米碳双功能电解水催化剂的方法，其特征在于仅通过简单的溶剂热合成碳基复合催化剂，包括以下具体步骤：

取数片1.5cm×1cm规格的泡沫镍，将其放入3mol·L^-1的盐酸溶液中超声30min，30min后将泡沫镍取出并用去离子水冲洗干净，后分别在乙醇和去离子水中超声5min，将处理好的泡沫镍放入烘箱50℃下干燥6h，备用；