[发明专利]室温方法制备高性能的铁掺杂镍或钴基非晶态羟基氧化物催化剂及其高效电解水制氢研究

说明书

本发明公开室温方法制备高性能的铁掺杂镍或钴基非晶态羟基氧化物催化剂及其高效电解水制氢研究，属于电催化材料制氢技术领域。本发明技术方案要点：采用FeCl₃·6H₂O、乙醇混合为前驱体溶液对宏量化生产泡沫镍、钴等导电基底进行表面缓慢腐蚀，在其表面原位生长出镍铁或钴铁氧化物催化剂。我们创造性地引入化学还原反应，利用室温的化学腐蚀在商业化的金属导电基底上获得优异的析氧催化剂。这种独特的材料合成路径使得非贵金属钴或镍基析氧催化剂经过原位铁掺杂后，在碱性环境中表现出优异的析氧活性，在大电流度500 mA/cm²的过电位降低到280毫伏左右，且在1.5 A/cm²或以上大电流环境运行稳定，适合工业规模化应用，助力我国氢燃料汽车及氢能产业。

技术领域

本发明涉及电催化材料用于电解水制氢研究领域，具体涉及一种基于泡沫镍、钴、铜或铁等金属泡沫或多孔导电材料表面原位生长的FeOOH/ M-OOH纳米片阵列析氧催化剂的制备方法及其应用于在碱性溶液中的电解水析氧反应，其中M指的是廉价铁、钴、镍、铜等单金属或双过渡金属。

背景技术

对能源短缺和环境污染的持续担忧推动着人们将注意力转向可替代化石燃料的清洁能源。风能、水电、太阳能、地热能等多种形式的新能源都得到迅速的应用和发展，这些能源具有蕴藏量大、清洁、对环境无害、取之不尽等优点，有望成为人类未来能源需求的主流能源。然而，风力或太阳能发电受气候影响波动较大，具有不可控性，以及水力资源的季节性和晚间电力过剩等难题仍然存在。我国新能源布局相对集中，可再生能源电力与当地消纳能力不足、外送能力有限不协调，导致全国弃风、弃光、弃水“三弃”问题无法避免，增加了新能源发电的成本。解决这些问题的一个潜在途径就是利用氢储能技术。我们可以将间歇性风力、太阳能或晚间多余的水力转化成电能，用于驱动电解水制氢，从而将这些电能大规模地存储于氢燃料电池中，供需要时再使用。氢能源是目前非常有发展潜力、清洁环保的一种二次清洁能源，有望在未来电力能源行业中扮演重要的角色。

地球上浩瀚的海洋为人类提供了丰富的水资源，通过水分解得到的氢燃料总能量大约是地球化石燃料的9000倍。各种日常生活用水、河水、工业废水以及海水都可作为天然的制氢原料。鉴于此，电解水制氢技术是一种理想的氢气制备方案，可以将太阳能、风能等可再生能源的富余电力转化为清洁的氢燃料，在未来的制氢技术中有望占据非常重要的地位，对我国氢能产业的快速发展具有极高的社会效益和经济效益。在当前的技术条件下，尽管碱性水电解槽因其催化剂廉价、技术成熟在工业上被广泛应用，但是它的水分解电压高，电能消耗太大，以致于在工业上的应用没有得到足够的重视。为减少实际应用中的制氢成本，廉价催化剂材料的创新和技术的改善仍然十分重要。其中一个半反应-阳极析氧反应的催化效率低，析氧过电位高而导致能耗大，是导致碱性水分解制氢的能量转换效率低、制约该技术规模化发展的主要瓶颈。在设备基本不变的情况下，提高电解水效率的一个有效途径就是寻找和制备高性能的非贵金属催化剂材料，从而显著降低催化析氢，析氧反应的过电位，尤其是阳极析氧催化剂的设计、合成。然而，目前大部分析氧催化剂的合成都是基于复杂的材料制备过程，亦或者需要苛刻的生长条件，例如高温、有毒环境、耗时、不环保等，并且许多制备工艺无法实现催化剂的宏量化生产。因此，探索出新型低成本、高通量、无毒环境的制备工艺，以获得性能优异的廉价电解水析氧催化剂变得尤为重要。另一方面，目前大部分性能优异的析氧催化剂都是基于镍铁基材料，而对于钴基材料的析氧活性一直没有提升。如何获得与镍铁基析氧催化剂活性相当且在大电流持久稳定的廉价钴基析氧催化剂具有重要的研究意义。在该专利中，我们针对满足商业上的催化剂效率，催化剂成本与绿色环保等因素，设计了一种通过简单的室温化学腐蚀技术生产的高效廉价电解水析氧催化剂，有希望在工业上实现大规模制氢应用。这是一种三维多孔（Ni、Fe、Co）羟基氧化物纳米片阵列构成的优异析氧电催化剂，主要催化机理来源于泡沫镍钴铁上生长的FeOOH/ M-OOH纳米片阵列。通过将这种析氧催化剂与用于电解水析氢反应的另一种强大催化剂搭配构建的碱性水电解槽，实现有效的电解水制氢反应，从而将其他形式能量转化为氢化学能储存起来。

发明内容