[发明专利]用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及析氧反应电催化剂制备研究领域，提供了用于析氧反应的磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法。以磺化聚苯并咪唑为载体，通过浸渍‑退火结合的方法制备了用于析氧反应的电催化剂。本发明的有益效果为：原材料成本低廉，无毒无害；反应温度平稳，易于控制。制备了一种纳米颗粒形态的OER电催化剂，此种纳米颗粒中存在的石墨结构优化了OER导电性。退火处理后生成吡咯‑N金属配位点，通过Co与sPBI的强相互作用形成Co‑N配位键，提高了纳米颗粒的结构稳定性。同时产生吡啶‑N物种，可以加速O₂的释放，降低了OER过电位。最后，退火处理后产生晶体缺陷，暴露出更多的活性位点，提高中间体的吸附能力，从而使电催化剂具有相当大的OER活性。

技术领域

本发明涉及用于析氧反应的电催化剂及其制备方法，特别是磺化聚苯并咪唑基电催化剂及其制备方法。

背景技术

清洁、高能量密度的氢能是如今绿色能源发展的重要方向，而环保的电解水系统则是重要的制氢技术。析氧反应（OER）是电解水的半反应之一，也是电解水的速率控制步骤。在OER过程中，随着O-O键的生成，电子的转移会减慢水解的整个动力学过程。因此，研究更高效、更先进的电催化剂对促进水电解的发展有着深远的影响。目前，RuO₂和IrO₂等贵金属的电催化剂因其优异的OER性能而被广泛报道，但其高昂的成本限制了其广泛的商业化。因此，低成本的过渡金属便成为了近些年来的研究重点，含有各种过渡金属的配合物也为制备OER电催化剂提供了方向。

磺化聚苯并咪唑（sPBI）是一类具有高热稳定性、抗氧化性和良好力学性能的高性能聚合物，其通常被用来制作质子交换膜。此外，该聚合物具有的-SO₃H可以使得sPBI具有良好的电导率；同时sPBI所具有的N物种可以产生孤电子对。这使得sPBI可以作为一种电催化剂基体材料，但是其需要锚定合适的金属配体才能发挥出优异的电催化特性。

针对以上问题，提出低成本高性能的OER电催化剂及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供磺化聚苯并咪唑基OER电催化剂及其制备方法。首先是通过直接缩聚法合成sPBI，其重复单元结构如下所示：

其中，可以通过将sPBI分别浸泡在HCl溶液、Li₂CO₃溶液、Na₂CO₃溶液、K₂CO₃溶液和Mg₂CO₃溶液中使X₁分别为氢、锂、钠、钾或镁等离子。

X₂结构由对应的芳香二元羧酸所产生，根据所选择的芳香二元羧酸单体的不同，其中sPBI结构中包含一种及以上X₂结构，下图列举了不同的X₂结构和其对应的芳香二元羧酸单体，本发明以含有柔性醚键的结构单元的磺化聚苯并咪唑作为说明，即选择的芳香二元羧酸单体为4, 4-二羧基二苯醚。

其次将sPBI和乙酸钴粉末通过水浸渍法和热退火处理获得具有纳米颗粒形态的OER电催化剂。

本发明提供的OER电催化剂的制备方法，包括如下制备步骤：

（1）sPBI的制备：采用直接缩聚法，将3, 3' -二氨基联苯胺（DAB）、4, 4-二羧基二苯醚（PE）和3, 3' -二磺酸钠-4, 4' -二羧基联苯 (SCBP)进行聚合后，抽滤、盐浸、水洗，最后真空干燥即得sPBI。

（2）前驱体（Co/sPBI Pre）的制备：将（1）中所得sPBI研磨成粉末后加入到超声处理过的Co(OAc)₂溶液中，水热蒸发，真空干燥后即得Co/sPBI Pre。