[发明专利]一种双层复合型电解水阳极催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于功能材料制备及电催化技术领域，提供了一种双层复合型电解水阳极催化剂及其制备方法。所述催化剂为双层复合型催化剂，内层催化剂为钴铁类普鲁士蓝高温碳化后生成的钴基催化剂，外层催化剂为镍基催化剂，内外催化剂之间为具有高比表面积的介孔纤维状二氧化硅和介孔桑椹状碳壳层。碳层表面积达到285‑325m²/g，有利于内外催化剂的充分分散和稳定存在。其制备方法，包括采用双液相法制备介孔二氧化硅壳层、采用水相合成法制备桑椹状碳层前驱体以及惰性氛围下高温碳化、镍基催化剂的负载。本发明所制备的催化剂具有较大的中空体积，较高的比表面积，独特的双层催化剂结构，高效的电解水催化活性及良好的催化稳定性。

技术领域

本发明属于功能材料制备及电催化技术领域，具体涉及一种电解水阳极用催化剂及其制备方法。

背景技术

传统化石能源随着大量使用而日渐匮乏并且会带来严重的环境污染，因此，需要加快开发绿色安全的和可循环使用的新型清洁能源。氢能作为新能源，储量丰富，具有可再生性，燃烧产物为水，是最环保的能源之一。电解水可以将电能转化为氢能，然而电解水反应的活化能较大，需要高活性的电催化剂来促进反应的进行。贵金属催化剂虽然活性较高但是价格昂贵，难以实际应用。因此，开发价廉高效的电解水催化剂具有较大的经济效益和社会效益。电解水反应中的析氧反应进行难易与否对整个电解水反应有着至关重要的影响。研究表明通过调控过渡金属催化剂的元素组成、表观形貌及尺寸分布和负载状态可以有效提高其催化析氧反应的活性。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的用于催化电解水的双层复合型催化剂及其制备方法。所述催化剂内层为钴铁类普鲁士蓝高温碳化后生成的钴基催化剂，外层催化剂为镍基催化剂，内外催化剂之间为具有高比表面积的介孔二氧化硅和介孔碳壳层。高比表面积的介孔碳层的引入有利于催化剂的充分分散和稳定存在，有利于增加活性位点，减少电子传输阻力。本发明所制备的催化剂具有较大的中空体积，较高的比表面积，独特的双层催化剂结构，可调节粗糙程度的表面，高效的电解水催化活性，长久的稳定性，可以作为理想的电解水阳极用催化剂。

本发明的技术方案：

一种双层复合型电解水阳极催化剂，其粒径为230-360nm；该双层复合型电解水阳极催化剂为双层结构，内核为以中空的类普鲁士蓝纳米材料为前驱体的掺杂铁的钴基催化剂，中层为介孔二氧化硅壳层与介孔碳壳层，外层为掺杂铁的镍基催化剂；介孔二氧化硅壳层的厚度为20-50nm，介孔碳壳层的厚度为30-60nm。

一种双层复合型电解水阳极催化剂的制备方法，包括采用双液相法制备介孔二氧化硅壳层、采用水相合成法制备中空的类普鲁士蓝纳米材料前驱体以及惰性氛围下高温碳化、掺杂铁的镍基催化剂的负载。具体步骤如下：

步骤(1)：配制长链烷基季铵盐溶液，再将水热法合成的中空类普鲁士蓝纳米材料超声分散在上述溶液中，形成均匀混浊液；在20-60℃温度条件下搅拌，用碱性溶液调节pH值至10.54-12.18，搅拌条件下逐滴加入硅酸四乙酯(TEOS)的有机溶液，继续搅拌12-48小时，离心收集产物，水和乙醇洗涤产物，干燥；将干燥后的产物超声分散在12mol/L浓盐酸的乙醇溶液中，回流6-48小时，乙醇和水洗涤，干燥，得到类普鲁士蓝-介孔二氧化硅纳米复合材料；

所述的长链烷基季铵盐是CTAB或CTAC。

所述的中空类普鲁士蓝纳米材料的化学式为K_1.03Co_1.06Fe_0.89(CN)₆。

调节pH所用的碱性溶液为NaOH、KOH或氨水溶液。

所述的有机溶剂为甲苯、对二甲苯、正己烷或环己烷。

所述的硅酸四乙酯和有机溶剂的体积比为5％～30％。

所述的反应物的摩尔比为长链烷基季铵盐:硅酸四乙酯:碱性溶液中的碱:有机溶剂:中空类普鲁士蓝纳米材料: