【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种尿素燃料电池的自支撑电极及其制备方法，属于电催化材料领域。
技术介绍
1、直接尿素燃料电池在可持续能源发展和控制水污染领域具有广阔的应用前景；阳极的尿素氧化反应(uor, co(nh2)2+ 6 oh-→ n2+ 5 h2o + co2+ 6 e-)是直接尿素燃料电池的关键半反应；但是，碱性介质中的uor涉及复杂的六电子转移步骤和中间产物的吸附/解吸附过程，导致其反应动力学缓慢，能量转换效率低等问题；设计和构建高效的电催化剂能够促进uor反应（尿素氧化反应）的进行，提高反应速率、并减低反应能垒，进而实现直接尿素燃料电池的大规模应用；目前常用电催化剂为贵金属催化剂如铂、铱、钌等，但由于其价格昂贵且资源稀缺，严重阻碍了直接尿素燃料电池的大规模应用，因此，亟需一种高效廉价的电催化剂以提高电催化尿素氧化效率和直接尿素燃料电池的能量转换效率。
2、金属-有机框架是一类由金属离子或团簇与有机配体通过配位键连接而成的一类高有序多孔晶体材料，在储能、催化、气体吸附和分离、传感器等领域具有广泛的应用前景；由于二维金属-有机框架具有较大比表面积、较高孔隙率、超薄结构、丰富的暴露活性位点等优异特性，使其成为潜在的uor电催化剂；但是，由于有机配体的绝缘以及金属-有机配体较差的共轭特性，导致二维金属-有机框架仍存在导电性以及稳定性较差等问题，这将影响其电催化性能；如何改善金属-有机框架材料的稳定性和导电性的，是提升电催化uor性能的关键。
技术实现思路
1、本专利技术提出的是
2、本专利技术的技术解决方案：一种尿素燃料电池的自支撑电极，其结构包括泡沫镍，金属-有机框架；金属-有机框架负载在泡沫镍的表面形成泡沫镍负载金属-有机框架。
3、进一步地，一种尿素燃料电池的自支撑电极，其结构还包括异质结，异质结沉积在金属-有机框架的表面，形成异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极；所述异质结是金属量子点或磷化物量子点或硫化物量子点。
4、进一步地，所述金属量子点为铁量子点、钴量子点、镍量子点、铜量子点中的一种或若干种；所述磷化物量子点为磷化铁量子点、磷化钴量子点、磷化镍量子点、磷化铜量子点中的一种或若干种；所述硫化物量子点为硫化铁量子点、硫化钴量子点、硫化镍量子点、硫化铜量子点中的一种或若干种。
5、进一步地，所述金属-有机框架中的金属包括铁、钴、镍、铜中的一种或若干种；所述金属-有机框架的形状是二维纳米片状，若干二维纳米片状的金属-有机框架分布在泡沫镍表面形成一个密集排列的阵列结构；所述二维纳米片状的金属-有机框架的长度为300nm～600nm，二维纳米片状的金属-有机框架的厚度为5nm～10nm；所述异质结中金属量子点、磷化物量子点、硫化物量子点的粒径尺寸均为2nm～10nm，异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极中异质结的质量占比为2 wt %～10 wt %。
6、一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，该方法包括：
7、1）将泡沫镍、金属盐、有机配体分散在无水乙醇和去离子水中，超声并搅拌，得到均匀的混合溶液；
8、2）将混合溶液转移到水热反应釜中，在100℃～180 ℃ 恒温下反应12 h～48h，离心，清洗，干燥，得到泡沫镍负载金属-有机框架。
9、进一步地，所述将泡沫镍、金属盐、有机配体分散在无水乙醇和去离子水中，超声并搅拌，得到均匀的混合溶液，具体包括：
10、1-1）将金属盐和有机配体分散在无水乙醇和去离子水混合溶液中，经超声分散和磁力搅拌得到均匀的a溶液；
11、1-2）将清洗过的泡沫镍置于a溶液中，进行超声处理得到均匀的混合溶液；
12、所述金属盐包括氯化亚铁、氯化钴、硝酸镍、硝酸铜、醋酸铜、氯化钨中的一种或若干种；所述有机配体包括萘二羧酸二钾盐、对苯二甲酸中的一种或若干种；所述混合溶液中的金属盐浓度为5～15 mmol/l，有机配体浓度为5～15 mmol/l；所述金属盐与有机配体的摩尔比为（1～3）：1，所述无水乙醇与去离子水的体积比为（1～5）：1。
13、进一步地，一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，该方法还包括：
14、3）在得到的泡沫镍负载金属-有机框架上通过电沉积得到异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极。
15、进一步地，所述在得到的泡沫镍负载金属-有机框架上通过电沉积得到异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极，具体包括：将电解液电沉积到泡沫镍负载金属-有机框架上形成异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极；所述电解液为金属盐溶液或金属盐-磷酸盐混合溶液或金属盐-硫酸盐混合溶液。
16、进一步地，当所述电解液为金属盐溶液时，将泡沫镍负载金属-有机框架作为工作电极，铂片作为对电极，沉积电压为2v～10v的电压，沉积时间为1min～10min；所述金属盐溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜中的一种或若干种形成的溶液；所述金属盐溶液中金属盐的浓度为0.01 mol/l～0.60 mol/l。
17、进一步地，当电解液为金属盐-磷酸盐混合溶液时，将泡沫镍负载金属-有机框架作为工作电极，铂片作为对电极，电解液的溶剂为水与无水乙醇的混合溶剂，采用循环伏安法，在一定的沉积电压范围内以一定的电压变化速度进行若干次cv循环，制备得到磷化物量子点沉积的泡沫镍负载铜-有机框架电极；所述金属盐-磷酸盐混合溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜中的一种或若干种与磷酸氢钾、磷酸氢钙、次亚磷酸钠中的一种或若干种形成的混合溶液；
18、当电解液为金属盐-硫酸盐混合溶液时，将泡沫镍负载金属-有机框架作为工作电极，铂片作为对电极，电解液的溶剂为水与无水乙醇的混合溶剂，采用循环伏安法，在一定的沉积电压范围内以一定的电压变化速度进行若干次cv循环，制备得到硫化物量子点沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极；所述金属盐-硫酸盐混合溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜中的一种或若干种与硫酸钠、硫化钠、硫脲中的一种或若干种形成的混合溶液。
19、本专利技术的有益效果：
20、1）本专利技术通过调节有机框架的微结构，通过异质结构筑，实现金属-有机框架的不同异质结结构以及多协同效应，调控金属-有机框架电催化剂表面的局域电子结构和导电率，获得性能优异的有机框架基尿素氧化反应电催化剂材料，能够满足高效的直接尿素燃料电池的需求；
21、2）本专利技术制备方法具有工艺简单可控、条件温和、成本低等优点，适合工业化生产；
22、3）本专利技术制备的尿素燃料电池的自支撑电极具有高效的电催化析氧及尿素氧化活性和优异的循环稳定性，作为尿素燃料电池中尿素氧化的有效阳极材料能实现高效的能量转换。
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1.一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是包括泡沫镍，金属-有机框架；金属-有机框架负载在泡沫镍的表面形成泡沫镍负载金属-有机框架。
2.根据权利要求1所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是还包括异质结，异质结沉积在金属-有机框架的表面，形成异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极；所述异质结是金属量子点或磷化物量子点或硫化物量子点。
3.根据权利要求2所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是所述金属量子点为铁量子点、钴量子点、镍量子点、铜量子点中的一种或若干种；所述磷化物量子点为磷化铁量子点、磷化钴量子点、磷化镍量子点、磷化铜量子点中的一种或若干种；所述硫化物量子点为硫化铁量子点、硫化钴量子点、硫化镍量子点、硫化铜量子点中的一种或若干种。
4. 根据权利要求2所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是所述金属-有机框架中的金属包括铁、钴、镍、铜中的一种或若干种；所述金属-有机框架的形状是二维纳米片状，若干二维纳米片状的金属-有机框架分布在泡沫镍表面形成一个密集排列的阵列结构；所述二维纳米片状的金属-有机框架的长度为300nm～60
5.一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是包括：
6.根据权利要求5所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是所述将泡沫镍、金属盐、有机配体分散在无水乙醇和去离子水中，超声并搅拌，得到均匀的混合溶液，具体包括：
7.根据权利要求5或6所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是还包括：
8.根据权利要求7所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是所述在得到的泡沫镍负载金属-有机框架上通过电沉积得到异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极，具体包括：将电解液电沉积到泡沫镍负载金属-有机框架上形成异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极；所述电解液为金属盐溶液或金属盐-磷酸盐混合溶液或金属盐-硫酸盐混合溶液。
9. 根据权利要求8所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是当所述电解液为金属盐溶液时，将泡沫镍负载金属-有机框架作为工作电极，铂片作为对电极，沉积电压为2V～10V的电压，沉积时间为1min～10min；所述金属盐溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜中的一种或若干种形成的溶液；所述金属盐溶液中金属盐的浓度为0.01mol/L～0.60 mol/L。
10.根据权利要求9所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是当电解液为金属盐-磷酸盐混合溶液时，将泡沫镍负载金属-有机框架作为工作电极，铂片作为对电极，电解液的溶剂为水与无水乙醇的混合溶剂，采用循环伏安法，在一定的沉积电压范围内以一定的电压变化速度进行若干次CV循环，制备得到磷化物量子点沉积的泡沫镍负载铜-有机框架电极；所述金属盐-磷酸盐混合溶液为氯化亚铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜中的一种或若干种与磷酸氢钾、磷酸氢钙、次亚磷酸钠中的一种或若干种形成的混合溶液；
...【技术特征摘要】
1.一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是包括泡沫镍，金属-有机框架；金属-有机框架负载在泡沫镍的表面形成泡沫镍负载金属-有机框架。
2.根据权利要求1所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是还包括异质结，异质结沉积在金属-有机框架的表面，形成异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极；所述异质结是金属量子点或磷化物量子点或硫化物量子点。
3.根据权利要求2所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是所述金属量子点为铁量子点、钴量子点、镍量子点、铜量子点中的一种或若干种；所述磷化物量子点为磷化铁量子点、磷化钴量子点、磷化镍量子点、磷化铜量子点中的一种或若干种；所述硫化物量子点为硫化铁量子点、硫化钴量子点、硫化镍量子点、硫化铜量子点中的一种或若干种。
4. 根据权利要求2所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极，其特征是所述金属-有机框架中的金属包括铁、钴、镍、铜中的一种或若干种；所述金属-有机框架的形状是二维纳米片状，若干二维纳米片状的金属-有机框架分布在泡沫镍表面形成一个密集排列的阵列结构；所述二维纳米片状的金属-有机框架的长度为300nm～600nm，二维纳米片状的金属-有机框架的厚度为5nm～10nm；所述异质结中金属量子点、磷化物量子点、硫化物量子点的粒径尺寸均为2nm～10nm，异质结沉积的泡沫镍负载金属-有机框架电极中异质结的质量占比为2 wt %～10 wt %。
5.一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是包括：
6.根据权利要求5所述的一种尿素燃料电池的自支撑电极的制备方法，其特征是所述将泡沫镍、金属...
【专利技术属性】
技术研发人员：薛裕华，刘心娟，罗成玲，范敏敏，修慧欣，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：
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