催化电极及其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种催化电极，其包括复合基底、及原位生长在复合基底上的Co‑Ni‑P‑S催化材料；复合基底包括泡沫镍、及附在泡沫镍上的碳纳米管。上述催化电极，催化电极材料Co‑Ni‑P‑S原位生长在复合基底上形成稳固的3D自支撑催化电极，具有更快的电子转移过程且提供了充足的途径，加强了基底和催化电极材料之间的结合力；进而可提高电极催化活性和稳定性。该催化电极不用粘合剂，故而避免粘合剂所带来的表观催化活性降低以及工作稳定性差问题。催化电极材料中含有两种金属，形成双金属催化剂，能够利用协同效应提升催化材料的性能；同时还引入非金属元素，从而调节反应中间产物的吸附能。本发明专利技术还提供了上述催化电极的制备方法及其应用。

Catalytic electrode and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
催化电极及其制备方法及应用
本专利技术属于催化材料
，涉及一种催化电极及其制备方法及应用。
技术介绍
能源与环境问题是目前全人类面临的两个主要问题。由于氢气具有高能量密度及零排放(不排放任何温室效应气体)的特点，被认为是最具潜力的清洁能源载体，同时氢气可以通过氢燃料电池等方式驱动各类电子设备及动力汽车。电解水制氢是最理想的可持续制氢途径之一，但是由于析氢和析氧反应过电位高，会导致电解水反应能量转换率降低，因此，为了降低能源损耗，提高能量转换效率，需要研发高效的催化电极材料，减小电解水反应析氢和析氧过程的过电位。目前，贵金属基催化材料表现出很高的电催化活性，其中Pt族金属和贵金属氧化物分别具有较佳的析氢和析氧电催化活性。但由于其价格昂贵、储量稀少，极大的限制了其工业应用，因此寻找能够替代贵金属的低成本材料成为研究的热点。此外，大部分催化材料都呈粉末状，必须用粘合剂将其涂覆在基底电极上，由于粘结剂的存在会导致电极电阻增加、活性位点减少并掩蔽反应离子的扩散通道，极大地降低了催化电极材料的表观催化活性。同时，粘合剂自身的附着力难以保证，在电解过程中，其形成的固化膜易脱落，从而导致催化电极的工作稳定性差。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种新的催化电极。一种催化电极，包括：复合基底；所述复合基底包括泡沫镍、以及生长在所述泡沫镍上的碳纳米管；以及Co-Ni-P-S催化材料，原位生长在所述复合基底上。上述催化电极，催化电极材料Co-Ni-P-S原位生长在复合基底上，可以形成稳固的3D自支撑催化电极，具有更快的电子转移过程，并且提供了充足的途径，并加强了基底和催化电极材料之间的结合力；进而可以提高电极催化活性和稳定性。上述催化电极，不采用粘合剂，故而避免粘合剂所带来的表观催化活性降低以及工作稳定性差的问题。催化电极材料中含有两种金属Co、Ni，形成双金属催化剂，能够利用协同效应提升催化材料的性能；同时还引入P，S非金属元素，从而调节反应中间产物的吸附能。本专利技术还提供了上述催化电极的制备方法。一种催化电极的制备方法，包括如下步骤：提供复合基底；所述复合基底包括泡沫镍、以及生长在所述泡沫镍上的碳纳米管；在所述复合基底上原位生长Co-Ni-P-S催化材料。上述催化电极的制备方法，通过原位生长的方式将Co-Ni-P-S催化材料附在复合基底上，从而避免采用粘合剂，进而避免粘合剂所带来的表观催化活性降低以及工作稳定性差的问题。并且催化电极材料中含有两种金属Co、Ni，形成双金属催化剂，能够利用协同效应提升催化材料的性能；同时还引入P，S非金属元素，从而调节反应中间产物的吸附能。优选地，在所述复合基底上原位生长Co-Ni-P-S催化材料，包括如下步骤：在复合基底上原位生长Co(OH)2和Ni(OH)2，形成前驱体；对所述前驱体同时进行磷化和硫化处理。优选地，在复合基底上原位生长Co(OH)2和Ni(OH)2通过如下步骤获得：按照下述计量比配制溶液：余量为溶剂；所述溶剂为去离子水和乙二醇体积比为1∶1的混合液；静置陈化以获得水热反应液；将水热反应液与所述复合基底转移至高压釜中，进行水热反应，反应完成后冷却至室温，后取出清洗，室温下干燥。优选地，所述水热反应的温度为80～160℃，时间为2～7小时。优选地，所述磷化和硫化处理包括如下步骤：将前驱体放入气氛管式炉中，将次亚磷酸钠和硫粉放置在前驱体的上游，同时进行磷化和硫化，随炉冷却至室温。优选地，所述磷化和硫化的温度为250～450℃，反应时间为3～5h。优选地，所述复合基底通过在泡沫镍上化学气相沉积碳纳米管获得。优选地，所述复合基底通过如下步骤获得：S1、将泡沫镍放入10vt.％HCl溶液中，浸泡30min，后清洗并烘干；S2、将S1得到的泡沫镍放入气氛管式炉中，进行保温还原反应；随炉冷却至室温，将三聚氰胺放置泡沫镍的上游，然后进行化学气相沉积反应，随炉冷却至室温，得到碳纳米管与泡沫镍的复合基底。优选地，在步骤S2中，保温还原反应的温度为300～600℃，时间为1～2h。优选地，在步骤S2中，化学气相沉积的反应温度为600～900℃，时间为2～4h。优选地，在步骤S2中，气氛管式炉中气氛为H2与Ar的混合气体，Ar的体积百分含量为5～10％。本专利技术还提供了上述催化电极在电解水中的应用。优选地，上述催化电极同时作为电解水析氢和析氧反应的催化电极。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。一种催化电极，包括复合基底、以及Co-Ni-P-S催化材料。其中，复合基底的主要作用是，作为Co-Ni-P-S催化材料的导电载体。具体地，所述复合基底包括泡沫镍、以及附在泡沫镍上的碳纳米管。更进一步地，碳纳米管通过化学气相沉积方式附在泡沫镍上。其中，Co-Ni-P-S催化材料是催化电极的主要活性催化部分，其原位生长在复合基底上。上述催化电极，催化电极材料Co-Ni-P-S原位生长在复合基底上，可以形成稳固的3D自支撑催化电极，具有更快的电子转移过程，并且提供了充足的途径，并加强了基底和催化电极材料之间的结合力；进而可以提高电极催化活性和稳定性。上述催化电极，不采用粘合剂，故而避免粘合剂所带来的表观催化活性差以及工作稳定性差的问题。催化电极材料中含有两种金属Co、Ni，形成双金属催化剂，能够利用协同效应提升催化材料的性能；同时还引入P，S非金属元素，从而调节反应中间产物的吸附能。本专利技术还提供了上述催化电极的制备方法。一种催化电极的制备方法，包括如下步骤：提供复合基底；所述复合基底包括泡沫镍、以及生长在所述泡沫镍上的碳纳米管；在所述复合基底上原位生长Co-Ni-P-S催化材料。其中，在一个优选实施方式中，复合基底通过在泡沫镍上化学气相沉积碳纳米管获得。也就是说，碳纳米管通过化学气相沉积方式附在泡沫镍上。更进一步地，复合基底通过如下步骤获得：S1、将泡沫镍放入10vt.％HCl溶液中，浸泡30min，后清洗并烘干；S2、将S1得到的泡沫镍放入气氛管式炉中，进行保温还原反应；随炉冷却至室温，将三聚氰胺放置泡沫镍的上游，然后进行化学气相沉积反应，随炉冷却至室温，得到碳纳米管与泡沫镍复合的碳材料基底。在步骤S1中，在一优选实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种催化电极，其特征在于，包括：/n复合基底；所述复合基底包括泡沫镍、以及生长在所述泡沫镍上的碳纳米管；/n以及Co-Ni-P-S催化材料，原位生长在所述复合基底上。/n

【技术特征摘要】
1.一种催化电极，其特征在于，包括：
复合基底；所述复合基底包括泡沫镍、以及生长在所述泡沫镍上的碳纳米管；
以及Co-Ni-P-S催化材料，原位生长在所述复合基底上。


2.一种催化电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供复合基底；所述复合基底包括泡沫镍、以及生长在所述泡沫镍上的碳纳米管；
在所述复合基底上原位生长Co-Ni-P-S催化材料。


3.根据权利要求2所述的催化电极的制备方法，其特征在于，在所述复合基底上原位生长Co-Ni-P-S催化材料，包括如下步骤：
在复合基底上原位生长Co(OH)2和Ni(OH)2，形成前驱体；
对所述前驱体同时进行磷化和硫化处理。


4.根据权利要求3所述的催化电极的制备方法，其特征在于，在复合基底上原位生长Co(OH)2和Ni(OH)2通过如下步骤获得：
按照下述计量比配制溶液：



余量为溶剂；所述溶剂为去离子水和乙二醇体积比为1：1的混合液；
静置陈化以获得水热反应液；
将水热反应液与所述复合基底转移至高压釜中，进行水热反应，反应完成后冷却至室温，后取出清洗，室温下干燥。


5.根据权利要求4所述的催化电极的制备方法，其特征在于，所述水热...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛敏奇，吴琼，施嘉伦，吕凡，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32