一种双功能的孔道合金电极及其激光选区轰击制备方法技术

本发明专利技术涉及一种双功能的孔道合金电极及其制备方法，该电极以具有孔道结构的合金金属片为导电基底，孔道上宽下窄呈锥形，合金电催化剂颗粒原位负载在孔道内壁，此电极同时具有气体扩散能力和电催化还原二氧化碳活性；这种双功能的多孔合金电极采用激光轰击选区合成方法，将两种金属片上下叠放在一起后，通过激光器配备的显微镜使激光焦点汇聚于上层金属片，并使用激光对选定的点区域进行一段时间的轰击，上层金属颗粒刻蚀下层金属片形成孔道结构，同时在孔道中原位负载合金纳米颗粒，一步制得一种双功能的孔道合金电极。本发明专利技术所采用的合成方法属于常温、常压、固相、开放体系的制备方法，操作方便、易于控制、且环境友好未使用有毒反应原料。

【技术实现步骤摘要】
一种双功能的孔道合金电极及其激光选区轰击制备方法
本专利技术涉及电催化
，具体涉及一种激光选区轰击合成具有气体扩散能力和电催化还原二氧化碳活性的合金电极及其制备方法。
技术介绍
气体扩散电极在电催化等方面应用广泛，可以用于增大电流密度以达到工业应用的要求，其主要的组成部分有气体扩散层和催化层。其中，气体扩散层通常选用多孔材料，用于输送气体，面向气体室；催化层由催化剂组成，用于进行催化反应，面向液体室，在常压下，气体和电解液在催化剂层达到平衡，形成稳定的气-液-固三相界面，提高了催化速率。近年来，使用合金作为催化层的研究越来越多，参见MiaoZhong,ZacharyUlissi,EdwardH.Sargent,etal.AccelerateddiscoveryofCO2electrocatalystsusingactivemachinelearning[J].Nature,2020,581:178-184，合金是一种重要的金属材料，其化学性质与单一的金属不同，因此被广泛地应用于催化领域。目前常用的气体扩散电极是通过将催化剂滴加在多孔层上或者利用物理混合碾压来制备，通常由气体扩散层和电催化剂层两部分组成，其存在几方面的不足：首先，气体扩散层和电催化剂层通常有两部分组成，需要选择适合的方法使气体扩散层和催化层进行结合，增加了电极制备的复杂性，且长时间测试容易导致催化剂脱落；其次，催化剂一般负载在气体扩散层的一面，难以在气体扩散孔道内部实现气体-电解液-电催化剂的三相界面构建。由此可见，选择一种新的技术来一步实现具有气体扩散能力的催化电极十分必要。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术的目的是提供一种激光选区轰击合成具有气体扩散能力的合金电极，其具有稳定性好、加工重复性高等优点。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一方面，提供一种双功能的孔道合金电极，包括导电基底；所述导电基底上设有纵向贯穿的孔道；所述孔道的内壁上负载电催化剂；所述导电基底为金属片，所述电催化剂为合金纳米颗粒，所述导电基底的材质与合金纳米颗粒中的一种金属相同。优选的，所述合金纳米颗粒由铜、锡、银、镍、钼、铟、锌中的任意两种金属组成。优选的，所述孔道呈上宽下窄的锥形。本专利技术的第二方面，提供双功能的孔道合金电极在电催化还原二氧化碳中的应用。本专利技术的第三方面，提供制备方法，包括以下步骤：(1)将上层金属片和导电基底叠放，紧密的贴合在一起；(2)将激光焦点汇聚于上层金属片，使用激光对选定的点区域进行轰击，轰击完毕去掉上层金属片得到双功能的孔道合金电极。优选的，所述上层金属片选自铜、锡、银、镍、钼、铟或锌；所述上层金属片和导电基底的厚度均为0.01-0.1mm。优选的，所述激光轰击的时间为2s-4min；激光器的功率为0.3-3W，扫描速度为50-200mm/s。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术率先提出了一种利用激光高能量、可选区加工的特点，实现了一步制备合金作为催化剂的气体扩散电极。(2)本专利技术制备的电极中气体扩散层和电催化剂层是统一的，是一体化的多功能电极，避免了电催化剂负载在气体扩散层上的各种缺点；电催化剂是通过激光原位制备在气体扩散层孔道内部，可以在孔道内原位构建气体-电解液-电催化剂的三相界面；激光制备属于常温、常压、固相、开放体系的制备方法，操作方便、易于控制、且环境友好未使用有毒反应原料，可以实现各种孔道合金电极制备。附图说明图1为实施例1中合金气体扩散电极的制备示意图。图2为实施例1中合金气体扩散电极的俯视示意图。图3为实施例1中铜锡合金气体扩散电极的扫描电镜图。图4为实施例1中铜锡合金气体扩散电极的截面扫描电镜图。图5为对比例中铜锡合金气体扩散电极的截面扫描电镜图。图6为实施例2中增大激光轰击面积后的铜锡合金气体扩散电极的扫描电镜图。图7为实施例3中铜银合金电极的X射线衍射图。图8为实施例4中铜镍合金电极的X射线衍射图。图9为实施例5中铜钼合金电极的X射线衍射图。图10为实施例1中铜锡合金气体扩散电极在不同电压下的电流-时间测试图。图11为实施例1中铜锡合金气体扩散电极的电催化二氧化碳还原性能图。图12为对比例1中铜锡合金气体扩散电极的电催化二氧化碳还原性能图。图13为对比例2中铜锡合金气体扩散电极的电催化二氧化碳还原性能图。图示中：1-导电基底；2-上层金属片；3-激光光束；4-合金纳米颗粒；5-电解液扩散口；6-气体扩散口。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。正如
技术介绍
部分介绍的，气体扩散电极通常由气体扩散层和电催化剂层两部分组成，催化剂一般负载在气体扩散层的一面，难以在气体扩散孔道内部实现气体-电解液-电催化剂的三相界面构建。基于此，本专利技术率先提出了一种利用激光高能量、可选区加工的特点，一步制备合金作为催化剂的气体扩散电极：包括导电基底；所述导电基底上设有纵向贯穿的孔道；所述孔道的内壁上负载电催化剂；所述导电基底为金属片，所述电催化剂为合金纳米颗粒，所述合金纳米颗粒中的任意一种金属与导电基底的材质相同。激光轰击属于常温、常压、固相、开放体系的制备方法，通过对激光轰击功率、时间及扫描速度的控制，电催化剂原位制备在气体扩散层孔道内部，可以在孔道内原位构建气体-电解液-电催化剂的三相界面。本专利技术制备的电极中气体扩散层和电催化剂层是统一的，是一体化的多功能电极，避免了电催化剂负载在气体扩散层上的各种缺点。为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。本专利技术实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。实施例1如图1～2所示，以纯度为99.99％、厚度0.01mm的铜片作为上层金属片2，以纯度为99.99％、厚度0.05mm的锡片作为导电基底1；将两种金属片紧密地贴合在一起并开启真空台，然后用激光3轰击铜片，采用200mm/s的激光速度和0.72W的激光功率处理2s。得到面积为0.5cm2的铜锡合金气体扩散电极，电极上分布有锥形孔道结构。锥形孔道下部的窄口为气体扩散口6，上部的宽口为电解液扩散口5；孔道侧壁原位负载合金纳米颗粒4，纳米颗粒为铜锡合金纳米颗粒，制备得到的铜锡合金气体扩散电极如图3所示。由图4可以看到形成的孔道为上宽下窄的结构。实施例2相对于实施例1，改变激光轰击区域的面积为0.3cm2，得到的电极形貌如图6所示。实施例3相对于实施例1，改变导电基底的材质，分别使用为厚度0.1mm的银片为导电基底，分别采用0.3W的激光功率进行4min的激光轰击，得到的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双功能的孔道合金电极，其特征在于，包括导电基底；所述导电基底上设有纵向贯穿的孔道；所述孔道的内壁上负载电催化剂；所述导电基底为金属片，所述电催化剂为合金纳米颗粒，所述导电基底的材质与合金纳米颗粒中的一种金属相同。/n

【技术特征摘要】
1.一种双功能的孔道合金电极，其特征在于，包括导电基底；所述导电基底上设有纵向贯穿的孔道；所述孔道的内壁上负载电催化剂；所述导电基底为金属片，所述电催化剂为合金纳米颗粒，所述导电基底的材质与合金纳米颗粒中的一种金属相同。


2.根据权利要求1所述的双功能的孔道合金电极，其特征在于，所述合金纳米颗粒由铜、锡、银、镍、钼、铟、锌中的任意两种金属组成。


3.根据权利要求1所述的双功能的孔道合金电极，其特征在于，所述孔道呈上宽下窄的锥形。


4.权利要求1～3中任一项所述的双功能的孔道合金电极在电催化还原二氧化碳中的应用。


5.权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：周伟家，王艺洁，李晓，刘震，陈玉客，刘晓燕，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37