氢气氧化与还原双功能催化电极及制备方法技术

一种氢气氧化与还原双功能催化电极及制备方法，该氢气氧化与还原双功能催化电极的制备方法，包括：将第一金属放入第二金属的盐溶液中浸泡，经自发置换反应以及腐蚀反应得到第二金属与第一金属氢氧化物的复合物，并且所述复合物负载于所述第一金属上，所述第一金属为泡沫金属、金属箔、金属片或金属/碳复合材料；其中，当所述第一金属为泡沫金属时，所述复合物负载于所述第一金属即形成氢气氧化与还原双功能催化电极；当所述第一金属为金属箔、金属片或金属/碳复合材料时，将所述复合物收集后涂在气体扩散层材料上，所述复合物负载于所述气体扩散层材料上即形成氢气氧化与还原双功能催化电极。功能催化电极。功能催化电极。

【技术实现步骤摘要】
氢气氧化与还原双功能催化电极及制备方法


[0001]本专利技术涉及储能领域，特别涉及氢气氧化与还原双功能催化电极及制备方法。

技术介绍

[0002]随着日益增长的全球能源消耗以及人们对大气环境污染问题的重视不断推动着可再生能源技术的发展。利用氢能和电能作为能源载体吸纳间歇的风能和光能将是未来向可持续能源结构转型的关键一环。近年来，可再生发电在我国占比越来越高，但受限于不发达的规模级储能技术，导致大量风电光电被弃用。最近，基于氢气氧化与还原(HER/HOR)反应为电极对的氢气电池因为低成本，高倍率，高安全性，超长寿命被视为是一种极具前景的大规模储能技术。实现高效储能最重要的前提是获得高活性的催化剂电极。但目前对于氢气电池的氢气氧化与还原(HER/HOR)的双功能催化电极的研究还未展开，主要技术背景仍然是以电解水电极以及燃料电池催化电极为参考。
[0003]目前电解水和燃料电池的催化电极材料设计仍然以铂碳(Pt/C)催化剂为主，开发HER/HOR双功能催化电极主要是利用Pt/C催化剂和粘结剂涂敷在气体扩散层(GDL)材料上，不仅制造成本高，而且制造工艺相对复杂，粘结剂的使用降低了催化剂的活性。基于自支撑催化电极的改进将是解决相关问题的有效途径。现有利用水分解制氢的电化学催化剂的制备方法为：首先制备镍钛铜的三元合金，然后在把合金加工为厚度20微米左右的条带。采用电化学脱合金的方法，对铜选择性腐蚀，制备出三维带有纳米片状的自支撑镍钛铜催化剂，但所述方法能耗高，工艺复杂。Co
‑
Ni
‑/>P
‑
S催化材料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，提高了电极催化活性和稳定性。但是所用的水热法不具备大规模使用前景。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供氢气氧化与还原双功能催化电极的制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
[0005]为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种氢气氧化与还原双功能催化电极的制备方法，包括：将第一金属放入第二金属的盐溶液中浸泡，经自发置换反应以及腐蚀反应得到第二金属与第一金属氢氧化物的复合物，并且所述复合物负载于所述第一金属上，所述第一金属为泡沫金属、金属箔、金属片或金属/碳复合材料；其中，当所述第一金属为泡沫金属时，以所述第一金属为基底，所述复合物负载在所述第一金属，即形成氢气氧化与还原双功能催化电极；当所述第一金属为金属箔、金属片或金属/碳复合材料时，以气体扩散层材料为基底，将所述复合物收集后涂在所述气体扩散层材料上，即形成氢气氧化与还原双功能催化电极。
[0006]作为本专利技术的另一个方面，本专利技术还提供了一种利用如上所述的制备方法制备的氢气氧化与还原双功能催化电极，包括：第二金属和第一金属氢氧化物的复合物及基底，其中，所述复合物负载在所述基底上，所述基底为泡沫金属或者气体扩散层材料。
[0007]从上述技术方案可以看出，本专利技术的氢气氧化与还原双功能催化电极及制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
[0008](1)本专利技术的氢气氧化与还原双功能催化电极，以泡沫金属或者气体扩散层材料为基底，负载有第二金属与第一金属氢氧化物的复合物，在第二金属为主，第一金属氢氧化物为辅的共同作用下，表现出优异的氢气氧化与还原双功能催化活性。
[0009](2)本专利技术的氢气氧化与还原双功能催化电极中的泡沫金属或者气体扩散层材料具有支撑作用、集流体作用和气体导流作用。基底的支撑作用为：牢固支撑所制备复合物，使得制备出的氢气氧化与还原双功能催化电极稳定性强；基底的集流体作用为：基底具有很好的导电作用，电子能快速参与电化学氧化还原反应，从而提高电极反应速率；由于基底为多孔，多孔基底的导流作用使得在氢气氧化(HER)过程中产生的氢气不会堆积，或者在需要氢气参与反应的氢气还原(HOR)过程中能够从外部通入氢气参与反应。
[0010](3)本专利技术的氢气氧化与还原双功能催化电极为自支撑电极，无需粘合剂，制备工艺简单，具有大规模应用的潜力。
[0011](4)本专利技术的氢气氧化与还原双功能催化电极循环稳定性好，具有高倍率充放电性能。
附图说明
[0012]图1是本专利技术实施例1中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极中复合物的X射线衍射图；
[0013]图2是本专利技术实施例1中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极的SEM照片；
[0014]图3是本专利技术实施例2中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极的氢气氧化测试性能曲线；
[0015]图4是本专利技术实施例2中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极的氢气还原测试性能曲线；
[0016]图5是本专利技术实施例3中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极的氢气氧化稳定性测试曲线；
[0017]图6是本专利技术实施例4中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极的氢气氧化测试大电流性能曲线；
[0018]图7是本专利技术实施例5中制备的氢气氧化与还原双功能催化电极组装的氢气电池的倍率性能曲线。
具体实施方式
[0019]现有的利用金属与高活性金属盐的腐蚀反应和置换反应制备催化电极材料的方法有：利用自发腐蚀效应制备NiFe
‑
LDH材料，用于碱性析氧反应，此方法展现出超高的OER活性，在1000mA/cm2工业级水平下，过电位仅280mV，在此电流密度下循环超过6000个小时，展现出超强的电化学稳定性；利用自发腐蚀效应制备Ru/Ni(OH)2材料，展现出类Pt/C的HER性能；利用化学置换法制备壳核催化剂：将非贵金属盐配置成溶液，并加入一定表面活性剂，再加入过量还原剂制成非贵金属的纳米金属溶液，通过贵金属溶液表面置换，即得到了贵金属壳包裹非贵金属核的壳核非担载型催化剂，但该催化剂使用时需要搭配通过吸附作
用与载体搭配使用，稳定性差。上述方法以电解水HER和OER应用为主，对于HER/HOR双功能催化，目前也需要类似的简便可行制备工艺。
[0020]为了解决上述问题，本专利技术创造性的提出一种可以利用金属与高活性金属盐的腐蚀反应和置换反应制备HER/HOR双功能催化电极材料的方法。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。
[0021]根据本专利技术的实施例，提出了一种氢气氧化与还原双功能催化电极的制备方法，包括：将第一金属放入第二金属的盐溶液中浸泡，经自发置换反应以及腐蚀反应得到第二金属与第一金属氢氧化物的复合物，并且该复合物负载于第一金属上，第一金属为泡沫金属、金属箔、金属片或金属/碳复合材料；其中，当第一金属为泡沫金属时，以第一金属为基底，该复合物负载在第一金属上，即形成氢气氧化与还原双功能催化电极；当第一金属为金属箔、金属片或金属/碳复合材料时，以气体扩散层材料为基底，将该复合物收集后涂覆在气体扩散层材料上，即形成氢气氧化与还原双功能催化电极。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢气氧化与还原双功能催化电极的制备方法，包括：将第一金属放入第二金属的盐溶液中浸泡，经自发置换反应以及腐蚀反应得到第二金属与第一金属氢氧化物的复合物，并且所述复合物负载于所述第一金属上，所述第一金属为泡沫金属、金属箔、金属片或金属/碳复合材料；其中，当所述第一金属为泡沫金属时，以所述第一金属为基底，所述复合物负载在所述第一金属上，即形成氢气氧化与还原双功能催化电极；当所述第一金属为金属箔、金属片或金属/碳复合材料时，以气体扩散层材料为基底，将所述复合物收集后涂覆在所述气体扩散层材料上，即形成氢气氧化与还原双功能催化电极。2.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述制备方法还包括在将所述第一金属放入第二金属的盐溶液中浸泡的同时，对所述第一金属与第二金属的盐溶液进行搅拌；优选的，所述浸泡在真空条件下进行；优选的，浸泡时间为0.1
‑
48h；优选的，浸泡温度为0
‑
90℃；优选的，搅拌速度为0
‑
1000rpm/s。3.如权利要求1所述的制备方法，其中，在所述第二金属的至少部分被氧化为第二金属氧化物的情况下，所述制备方法还包括：利用还原剂将所述第二金属氧化物还原为第二金属。4.如权利要求1所述的制备方法，其中，所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫铁、泡沫锰、泡沫钛、泡沫锌、泡沫铜、泡沫钼、泡沫铅、泡沫铝或泡沫钴。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维，蒋涛立，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：