基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法及催化剂技术

本发明专利技术公开了一种基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法及催化剂，该方法包括将络合剂、金属盐和模板剂按预设量加入到溶剂中混合均匀以配制前驱体打印油墨；通过气溶胶喷射打印技术将打印油墨通过超声雾化形成气溶胶液滴，并经载气传输至打印喷头，在一定的鞘气约束下将气溶胶液滴喷射至集流体表面，以原位打印沉积前驱体材料，并通过循环次数调节前驱体材料的厚度；将前驱体材料置于密封环境中，在惰性气氛下，进行高温煅烧热解处理；后将前驱体材料自然冷却至室温，后清洗预设次数以去除模板，干燥后得到碳载双金属自支撑高效析氧电催化剂。本发明专利技术解决了现有技术中在制备自支撑OER催化剂时反应周期长以及催化剂导电性和稳定性较差的问题。和稳定性较差的问题。和稳定性较差的问题。

【技术实现步骤摘要】
基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法及催化剂


[0001]本专利技术涉及电化学能源材料领域，特别涉及一种基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法及催化剂。

技术介绍

[0002]当前，电解水中的析氧半反应具有的缓慢动力学过程严重限制了水分解效率。并且具有优异OER(析氧)催化性能的RuO2、IrO2等贵金属基催化剂因其高成本、稳定性差等问题限制了其实际应用。因此开发一种高效易得的非贵金属OER催化剂来促进反应动力学对于电解水的发展具有重要意义。研究表明，过渡金属合金表现出比单一金属更高的催化效率，这是因为双金属的结合增强了其固有极性，促进了电荷转移，提供了协同效应，优化了电子结构，降低反应势垒，从而在多价态下显著提高催化活性。
[0003]目前，制备自支撑OER催化剂材料常用的水热法原位生长有着一定的缺点：其反应周期长，反应过程在封闭的系统中进行，对反应过程不能直接观察；只能限于制备氧化物粉体，制备非氧化物还很少；需要高温高压步骤，安全性能差，使其对生产设备的依赖性比较强。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术的目的是提供一种基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法及催化剂，旨在解决
技术介绍
中提出的至少一个问题。
[0005]本专利技术实施例是这样实现的：
[0006]一种基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，所述方法包括：
[0007]将络合剂、金属盐和模板剂按预设量加入到溶剂中混合均匀以配制前驱体打印油墨；
[0008]将所述打印油墨通过超声雾化形成气溶胶液滴，并经载气传输至打印喷头，在一定的鞘气约束下将所述气溶胶液滴喷射至放置于打印载物台的集流体表面，以原位打印沉积前驱体材料，并通过打印循环次数调节所述前驱体材料的厚度，其中，所述集流体经过低温氧离子体亲水处理；
[0009]将所述前驱体材料置于密封环境中，在惰性气氛下，进行高温煅烧热解处理；
[0010]对热解处理后的前驱体材料自然冷却至室温，后清洗预设次数以去除模板，干燥后得到碳载双金属自支撑电催化剂。
[0011]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，所述络合剂为一水合柠檬酸、蔗糖和葡萄糖的其中一种或多种，所述金属盐包括金属铁盐和金属钴盐，所述金属铁盐为九水合硝酸铁、六水三氯化铁、无水氯化铁、四水合氯化亚铁以及七水合硫酸亚铁中的任意一种，所述金属钴盐为六水合硝酸钴、四水合乙酸钴以及六水合氯化钴中的任意一种，所述模板剂为氯化钠、氯化钾、硅酸钠中的任意一种，所述溶剂为超纯水、乙醇、异丙醇、松油醇中的一种或多种。
[0012]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，所述溶剂使用量为50
‑
150ml，所述络合剂使用量为5
‑
15mmol，所述金属铁盐使用量与金属钴盐使用量的化学计量比为2:1、1:1以及1:2的任意一种，所述模板剂使用量为5
‑
15g。
[0013]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，所述集流体采用碳纤维纸、碳纤维布、石墨纸、泡沫镍、泡沫铜中的其中一种，低温氧离子体处理时间为60
‑
600s。
[0014]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，雾化频率为1.7
‑
2.2MHz，雾化功率为10
‑
30W，所述载气与鞘气为空气、氮气、氩气中的一种或多种；所述打印喷头与所述集流体上表面之间的距离为2
‑
10mm，打印速度为5
‑
50mm/s。
[0015]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，所述打印采用气溶胶喷射打印，可打印出CAD软件所绘制的任意图案，打印过程中，物料输送气流为50
‑
150sccm，鞘气流为60
‑
180sccm，打印载物台加热温度为30
‑
100℃，打印面积为0.2
‑
500cm2，打印层数为10
‑
30层。
[0016]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，所述密封环境为管式炉，惰性气氛为氮气或氩气，热解处理温度为600
‑
800℃，升温速率为1
‑
6℃/min。
[0017]进一步的，上述基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其中，清洗采用超纯水/去离子水/弱酸性水溶液冲洗并浸泡，预设次数为2
‑
3次，干燥温度为40
‑
80℃。
[0018]本专利技术的另一个目的在于提供一种碳载铁钴化合物析氧电催化剂，所述碳载铁钴化合物析氧电催化剂由上述的制备方法制备得到。
[0019]与现有技术相比，本专利技术通过利用气溶胶喷射打印技术将络合剂、金属盐和模板剂按预设量加入到溶剂中配制打印油墨；将打印油墨通过超声雾化形成气溶胶液滴，并经载气传输至打印喷头，并利用集流体表面，沉积前驱体材料，后将前驱体材料置于密封环境中，在惰性气氛下，进行高温煅烧热解处理；对热解处理后的前驱体材料自然冷却至室温，后清洗预设次数以去除模板，干燥后得到碳载双金属自支撑电催化剂，在整个过程中，反应周期大大减少，并且不需要再完全封闭的环境中进行反应，可以对反应过程进行观察，在反应过程中也不存在高压步骤，安全性较高，且对设备的依赖性不强。
[0020]另外，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0021]1、以廉价的过渡金属盐溶液作为前驱体，基于气溶胶喷射打印技术所具有的微反应过程制备出高活性OER电催化剂，在碱性条件下的催化活性要高于采用喷雾干燥法制备出的材料。所制备的催化剂具有合成方法简单、成本低等优势。
[0022]2、在对原位打印沉积后的样品高温煅烧过程中，碳的前驱体在金属离子的存在下原位热解并诱导生长在集流体表面，使其与集流体之间产生较强的物理界面结合力，可直接用作测试，无需粘结剂，且从一定程度上避免了在测试中析出的氧气使材料大面积脱落的问题。
[0023]3、通过超声雾化将前驱体油墨雾化形成尺度均匀的微米级气溶胶液滴，通过鞘气构建的微尺度的限域反应空间形成通量稳定的均匀射流，气溶胶液滴作为微反应器强化微反应过程，实现微结构的原位调控，并显著提升沉积薄膜均匀性。
[0024]4、通过衬底预热强化液滴的微反应过程，提升液滴与集流体界面结合，降低接触内阻，从而提高电导率。
[0025]5、通过气溶胶喷射打印过程原位将氯化钠等盐模板与催化剂前驱体沉积在集流体表面，经高温煅烧和后续的去模板处理后，得到高比表面积的蜂窝状催化剂，可暴露出更多的双金属活性位点，使OER活性得到进一步提升。
[0026]6、本催化剂在碱性条件下具有优异的OER催化活性和循环稳定性。
附图说明
[0027]图1为本专利技术一实施例当中的基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法的流程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其特征在于，所述方法包括：将络合剂、金属盐和模板剂按预设量加入到溶剂中混合均匀以配制前驱体打印油墨；将所述打印油墨通过超声雾化形成气溶胶液滴，并经载气传输至打印喷头，在一定的鞘气约束下将所述气溶胶液滴喷射至放置于打印载物台的集流体表面，以原位打印沉积前驱体材料，并通过打印循环次数调节所述前驱体材料的厚度，其中，所述集流体经过低温氧离子体亲水处理；将所述前驱体材料置于密封环境中，在惰性气氛下，进行高温煅烧热解处理；对热解处理后的前驱体材料自然冷却至室温，后清洗预设次数以去除模板，干燥后得到碳载双金属自支撑电催化剂。2.根据权利要求1所述的基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其特征在于，所述络合剂为一水合柠檬酸、蔗糖和葡萄糖的其中一种或多种，所述金属盐包括金属铁盐和金属钴盐，所述金属铁盐为九水合硝酸铁、六水三氯化铁、无水氯化铁、四水合氯化亚铁以及七水合硫酸亚铁中的任意一种，所述金属钴盐为六水合硝酸钴、四水合乙酸钴以及六水合氯化钴中的任意一种，所述模板剂为氯化钠、氯化钾、硅酸钠中的任意一种，所述溶剂为超纯水、乙醇、异丙醇、松油醇中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其特征在于，所述溶剂使用量为50
‑
150ml，所述络合剂使用量为5
‑
15mmol，所述金属铁盐使用量与金属钴盐使用量的化学计量比为2:1、1:1以及1:2的任意一种，所述模板剂使用量为5
‑
15g。4.根据权利要求1所述的基于气溶胶喷射打印的双金属催化剂制备方法，其特征在于，所述集流体采用碳纤维纸、碳纤维布、石墨纸、泡沫镍、泡沫铜中的其中一种，...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾锋，王瑀，曹磊，柯洪成，范兰兰，王淑芬，刘思达，
申请(专利权)人：苏州微知电子科技有限公司镇江点墨电子科技有限公司南昌墨本电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：