[发明专利]一种全pH值高效电催化全分解水自支撑电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全pH值高效电催化全分解水自支撑电极及其制备方法，包括：自支撑电极是泡沫镍负载钒基金属‑有机框架(V‑MOF)电极(V‑MOF/NF)，所述V‑MOF为纳米片阵列结构，所述的纳米片直径为450‑550nm。所述V‑MOF/NF电极还可以是非金属或金属或金属‑非金属共掺杂的V‑MOF/NF电极。其制备方法是先以泡沫镍、钒源、有机配体为原料制得V‑MOF/NF自支撑电极，再经过热解处理得到。根据本发明，在全pH值范围内具有高效的电催化分解水产氢活性，并且实现了高效电催化全分解水，制备方法具有条件温和、工艺简单、成本低等优点，适合工业化生。

技术领域

本发明涉及电催化材料的技术领域，特别涉及一种全pH值高效电催化全分解水自支撑电极及其制备方法。

背景技术

氢能作为一种清洁、高效、可持续的绿色能源，具有高能量密度、清洁可循环、适用范围广等优点，受到世界各国高度重视。电催化分解水是有效制备氢能从而实现可再生清洁能源的重要途径。设计合成高效全分解水催化剂是目前研究的重点问题。贵金属铂(Pt)基材料具有最佳的金属-氢结合能，超低的H吸附吉布斯自由能，被认为是高性能的析氢催化剂。贵金属IrO₂和RuO₂是目前性能和稳定性较好的析氧催化剂。但是，它们的价格昂贵且资源稀缺严重限制了规模化使用。

目前大量研究致力于开发金属-有机框架(MOFs)的衍生材料，以MOFs材料作为模板，通过磷/硫/硒/氮/碳化等途径合成高效稳定的磷化物、硫/硒化物、氮化物、碳化物、碳纳米结构、氧化物、金属复合材料、单原子等电催化剂。但是，纳米颗粒堆积在MOFs衍生材料的孔道中，导致材料的活性表面减小。MOFs作为多孔功能材料，具有可调的孔网结构、高比表面积和丰富的活性位点等优点，通过形貌调控、晶体结构优化、引入缺陷、降低尺寸、元素掺杂等合理设计可实现优异的电催化性能。

虽然MOFs材料在电催化方面已取得一些研究进展，但是，目前仍存在一些关键问题，如：少数MOFs材料表现出电催化活性；MOFs材料主要是含咪唑的ZIF和MIL材料；MOFs材料本身的导电性低；在强酸和强碱较宽pH值范围内的稳定性差；仅仅作为单功能电催化剂；热解过程中结构容易塌陷等。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种全pH值高效电催化全分解水自支撑电极及其制备方法，在全pH值范围内具有高效的电催化分解水产氢活性，并且实现了高效电催化全分解水，制备方法具有条件温和、工艺简单、成本低等优点，适合工业化生。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种全pH值高效电催化全分解水自支撑电极，包括：

泡沫镍负载钒基金属-有机框架(V-MOF)电极(V-MOF/NF)，所述V-MOF为纳米片阵列结构，纳米片直径为450-550nm；

自支撑电极为掺杂的V-MOF/NF，掺杂为非金属掺杂、金属掺杂或金属-非金属共掺杂。

优选的，非金属包括P、S或N，金属包括Fe、Co或Ni。

优选的，掺杂质量比为5-10wt％。

一种全pH值高效电催化全分解水自支撑电极的制备方法，包括以下步骤：

S1、将泡沫镍、钒源、有机配体分散在无水乙醇和去离子水中，超声并常温搅拌，得到均匀的混合溶液；

S2、将混合溶液转移到水热反应釜中，在120-180℃恒温下反应12～24h，离心，清洗，干燥，得到V-MOF/NF电极。

优选的，步骤S1中钒源为三氯化钒、钒酸胺、乙酰丙酮钒中的至少一种，有机配体为萘二羧酸二钾盐、对苯二甲酸、对苯二甲酸二甲酯、2-甲基咪唑中的至少一种。

优选的，步骤S1中的混合溶液中的钒源浓度为5-10mmol/L，有机配体浓度为5-10mmol/L，所述钒源与有机配体的摩尔比为1～2，所述无水乙醇与去离子水的体积比为1～4。