一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料，包括：导电基底；复合在导电基底上的含铁腐蚀层；原位转化形成在所述含铁腐蚀层上的层状双氢氧化物纳米薄膜。本发明专利技术提供的电极材料催化性能高，稳定性好，具有在催化电解纯水及直接电解海水产氧反应中的应用前景。本发明专利技术提供的制备方法简便，产物的生长速率和组成可控性较好，能够合成大尺寸的高性能、稳定性好的层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料，具有在工业尺度上大规模生产的潜力。在工业尺度上大规模生产的潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及材料
，具体是一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]如何将目前占比最大的化石能源逐步替换为可再生清洁能源是实现能源可持续发展的关键问题。氢能具有较高的燃烧热值(1.43
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108J/kg)，是化石能源最理想的替代能源之一(ChemSusChem.2011年4卷21页)。通过简单的电解水反应即可实现氢气的制取，实现大规模的电解水制氢反应对人类摆脱化石能源的依赖具有重大意义。
[0003]电解水反应分为阳极的析氧反应与阴极的析氢反应，与析氢的二电子反应相比，四电子反应的析氧反应对整体效率的影响更加显著，阳极材料的设计是实现体系能量转换效率提高的关键问题。目前碱性电解液体系下商用的阳极催化剂主要为IrO2、RuO2等，其高成本及低储量极大地限制了电解水制氢技术的大规模应用，因此需要大力发展非贵金属阳极催化剂进一步降低体系成本。目前性能较佳的非贵金属催化剂，在10mA/cm2的电流密度下，需要的过电势主要集中在200～350mV之间(Mater.Today Chem.2021年21卷100488页)，因此需要开发性能更为优异的非贵金属催化材料，进一步提高制氢效率。
[0004]考虑到淡水资源相对较为稀缺，而地球上的海水占水资源总量的97.5％，因此海水相较淡水更适合作为电解水反应的水源。然而由于海水中存在大量氯离子，在电解过程中可能会在阳极发生竞争析氯反应对体系造成破坏，同时析氯反应产生的ClO
‑
离子及原有的Cl
‑
离子均可能对电极的稳定性造成影响(Adv.Energy Mater.2018年8卷1800338页)。另外，现有的电解海水阳极催化剂的研究中，电极的稳定性测试时间大多在100小时以内(Appl.Catal.B Environ.2021年294卷120256页)，需要进一步提升测试时间以探究大规模应用前景。因此，需要发展高效海水电解阳极材料，使其同时具有高催化活性、高析氧反应选择性及高催化稳定性的特征。
[0005]层状双氢氧化物(LDH)由于层板与层间阴离子的成分、比例高度可调，同时在OER过程中生成的活性相NiFeOOH具有较为显著的析氧选择性及抗氯腐蚀性能，因此是一种极具潜力的直接电解海水析氧反应催化材料。实验室常用的合成LDH的方法包括共沉淀法、水热法、电沉积法等。共沉淀法是通过将金属离子溶液混合均匀后，加入碱性溶液如NaOH、NaHCO3、氨水等将溶液的pH值调节至8～10左右，并在一定温度下使阳离子发生沉淀制得成分均匀的沉淀样品(ACS Catal.2015年4卷5380页)。共沉淀法制备LDH材料的成本较低，工艺简单，但是制得的样品主要为粉末形态。考虑到在直接电解海水制氢技术的应用中，通过粉末样品制备电极涉及到粘结剂涂覆，这将不可避免地损失一部分活性位点，影响样品的催化效果。此外，催化材料和基底之间的结合强度以及粘结剂在海水环境中能否稳定存在同样需要考虑。因此，针对海水环境下的电解水反应，发展在基底上原位生长的高性能LDH薄膜材料是设计高效阳极材料的关键问题。另外，在电解水反应中，由于达到工业级电流密度条件下时(500～1000mA/cm2)会产生大量气泡，因此薄膜材料还需同时具备优异的疏气
性能，以促进气体产物与电极的快速分离。考虑到排列有序的纳米阵列结构形成的薄膜可以提供较好的疏气性能，所以可控制备具有有序纳米阵列结构的LDH薄膜更符合实际应用需求。
[0006]目前能够实现在基底上原位生长LDH薄膜的主要方法包括上述提到的水热法和电沉积法。其中水热法是将金属盐溶液混合后再加入碱性试剂(如氨水、Na2CO3)或尿素、六亚甲基四胺等形成混合溶液，通过反应釜创造的高温高压条件加速晶体陈化过程，生成LDHs(J.Mater.Chem.A.2016年4卷167页)。水热法的条件易于控制，对催化剂的晶体生长及尺寸形貌均能较好调节，但水热法制备样品的周期较长，同时较为苛刻的条件导致其难以进行大规模生产。电沉积法是以金属盐溶液为电解液，通过施加偏压使电子发生转移，从而在阳极与阴极分别发生氧化和还原反应，实现LDH的制备(Nat Commun.2015年6卷6616页)。电沉积法可以实现LDH薄膜在导电基底上的原位生长，同时电解液成分、浓度、酸碱性等均可调节，可以实现薄膜微观结构的调控，但生长的薄膜产物组成和生长速率可控性较差。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料、制备方法及其应用，本专利技术提供的电极材料催化性能高，稳定性好，并具有较高的析氧反应选择性及抗氯腐蚀性能够应用于海水直接电解。
[0008]本专利技术提供了一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料，包括：
[0009]导电基底；
[0010]复合在导电基底上的含铁腐蚀层；
[0011]原位转化形成在所述含铁腐蚀层上的层状双氢氧化物纳米薄膜。
[0012]本专利技术所述电极材料首次引入了腐蚀层的概念，在导电基底上复合有含铁腐蚀层，所述含铁腐蚀层上原位转化生成有层状双氢氧化物纳米薄膜；所述含铁腐蚀层为铁金属腐蚀层或铁合金腐蚀层。在本专利技术的某些实施例中，所述含铁腐蚀层为铁合金腐蚀层。在一个实施例中，所述含铁腐蚀层为铁钴合金腐蚀层或铁锌合金腐蚀层。在一个实施例中，所述腐蚀层的厚度为0.5～1.5μm，优选为1μm。
[0013]本专利技术所述导电基底可以使用任意导电材料，使得所述电极材料能够在不同的工作环境下稳定运行；并且所述导电基底可以为不同形态和表面结构的导电基底。在一个实施例中，所述导电基底选自不锈钢片、不锈钢网、泡沫镍、泡沫铁、泡沫铜、碳布、钛丝网或铁镍合金片。
[0014]本专利技术所述层状双氢氧化物纳米薄膜具有有序纳米片阵列结构，能够提高其与电解液的接触面积，同时降低在超高电流密度下气泡对析氧催化反应的影响。本专利技术所述层状双氢氧化物纳米薄膜还具有本征富氧空位的结构特征，能够提高析氧反应的性能。
[0015]本专利技术提供的层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料，以导电材料为导电基底，所述导电基底上复合有含铁腐蚀层，所述含铁腐蚀层上有原位转化形成的层状双氢氧化物纳米薄膜。所述电极材料具有较好的亲水性和水下超疏气性，析氧反应性能好，其层状双氢氧化物纳米薄膜的组分及其基底种类具有高的可调整性，能够稳定应用于不同的工作环境，拓宽了其在不同领域的潜在应用。
[0016]本专利技术提供了一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料的制备方法，包括：
[0017]在导电基底上形成含铁腐蚀层；
[0018]将所述导电基底和含有二价金属离子的水溶液混合反应，在所述含铁腐蚀层上原位转化形成层状双氢氧化物纳米薄膜，得到层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料。
[0019]本专利技术首先在导电基底上形成含铁腐蚀层。具体而言，本专利技术首先在导电基底上形成铁腐蚀层或铁合金腐蚀层。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层状双氢氧化物纳米薄膜电极材料，包括：导电基底；复合在导电基底上的含铁腐蚀层；原位转化形成在所述含铁腐蚀层上的层状双氢氧化物纳米薄膜。2.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述含铁腐蚀层为铁合金腐蚀层。3.根据权利要求2所述的电极材料，其特征在于，所述含铁腐蚀层为铁钴合金腐蚀层或铁锌合金腐蚀层。4.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述腐蚀层的厚度为0.5～1.5μm。5.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述层状双氢氧化物纳米薄膜具有本征富氧空位的结构特征。6.根据权利要求1所述的电极材料，其特征在于，所述导电基底选自不锈钢片、不锈钢网、碳布、泡沫铁、泡沫铜、泡...

【专利技术属性】
技术研发人员：林仕伟，张旭，刘一蒲，许可，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：