[发明专利]一种双金属复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种双金属复合电极材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法采用还原性较强的还原剂通过水热还原水滑石直接得到双金属复合电极材料，制备方法简单，成本低。由于水滑石层板骨架上的元素分布较均匀，使得还原得到的纳米粒子、纳米片之间互相均匀分散，得到的双金属复合材料分散性好，有更多的活性位点暴露在外面，可更好地增加电极材料的导电性，有利于电子的有效转移，使得该电极材料具有较好的OER活性。且获得的产品分散性好，导电性强。由于该产品多组分的协同作用，使得该电极材料具有低的起始电位、低的塔菲尔斜率、优越的稳定性，在电催化中具有广泛的应用价值。

技术领域：

本发明属于双金属复合材料制备领域，具体涉及一种双金属复合电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

随着人类文明的发展，能源短缺的矛盾日益突出。新型、可持续利用、无污染的高效能量来源的研究及利用吸引着全世界的科研工作者的关注，而氢气能源作为燃料拥有单位释放热能大、产物清洁无污染、零排放等优点，是一种理想中的优良新能源燃料。电解水制取氢气与氧气是新能源转化系统中有关利用闲时能量及化学能储存的关键一环。电解水制氢气和氧气的氧化还原反应主要涵盖两大基本的半反应，即氧析出反应(OER)和析氢反应(HER)；其中位于电极阳极区域所发生的氧析出反应由于本身进行的是多步电子转移的过程，其反应速率缓慢且析氧起始电位的要求过高使得实际反应进行难度较大，这都使得电解水的能耗增大，因而制约着电解水法制备氢能源的发展。因此，开发出高活性，高稳定性和低成本的OER电催化剂具有重大的研究意义。Pt/Ir/Ru等贵金属系列氧析出电催化剂具有良好的OER电催化活性和稳定性，但由于元素资源匮乏材料来源稀少的原因而无法大范围推广使用。因此，科学工作者们对基于非贵金属材料的OER催化剂的开发一直在进行中，特别是过渡金属的氧化物或氢氧化物。为了获得理想的OER催化性能，目前较为有效的途径是1.提高催化剂的表面积，2.多组分复合材料的协同作用。

现阶段，对于过渡金属氧化物和氢氧化物作为OER电催化剂的报道已屡见不鲜。高等人[J.Am.Chem.Soc.(2014)136,7077-7084]和Young Jin Sa等人[J.Mater.Chem.A(2013)1,9992-10001]分别报道了α-Ni(OH)₂纳米片自组装的中空球以及介孔Co₃O₄，并获得了300mV和300mV较低的OER过电位。但是，金属氧化物和氢氧化物的导电性较低，这将限制这些催化剂的OER性能。

事实上，研究人员已经报道了可以通过引入金属单质或金属合金来增加材料的导电性，何等人[Adv.Funct.Mater.2016(26),5997-5997]报道的NiCo/Ni₂Co₁O_x复合材料通过氧化物在氨气氛围下加热引入金属合金NiCo来加强氧化物的导电性，并获得270mV较低的OER过电位。这种通过在氢气、氨气和氩气氛围下加热得到的金属合金与氧化物或氢氧化物形成了核壳结构，虽然增加了复合物的导电性，但是氧化物或氢氧化物层的导电性还是较差，不利于电子的有效转移，这将限制这些催化剂的OER性能。虽然金属单质或金属合金/氧化物或氢氧化物核壳结构有利于OH^-和电子在电解质和电极间的传递，但是这远远不够，还必须使得金属单质或金属合金与氧化物或氢氧化物之间互相均匀分散，才能改善电极材料的OER性能。因此，通过构建一种金属单质或金属合金与氧化物或氢氧化物之间均匀分散的复合电极材料来解决这一问题。一方面，金属单质或金属合金与氧化物或氢氧化物之间互相均匀分散，使得更多的活性位点暴露在外面，另一方面，可以更好地增加材料的导电性，有利于电子的有效转移。

对于过渡金属氧化物/氢氧化物，镍基、钴基材料可能是最佳的选择，而且铁掺杂在镍基钴基催化剂中，会很大程度的增加它们的OER性能。同时，考虑到混合金属离子的协同效应，双金属复合材料有望被广泛应用到OER电极材料的制备中。

发明内容：