[发明专利]一种氧化镍/不锈钢网一体化电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及电极材料技术领域，具体来说是一种氧化镍/不锈钢网一体化电极材料及其制备方法和应用，本发明先制得了Ni(OH)₂/钢网一体化电极，又经过氧化，制得NiO/钢网电极，并采用NiO/钢网电极在制备电解水催化剂中进行应用。本发明针对电解水过程存在高反应位垒，动力学过程缓慢等问题，本申请设计合成了具有良好导电性和丰富活性位点的一体化自支撑过渡金属基催化剂电极，并对材料的结构、性能及深层机理进行探究。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，特别涉及一种氧化镍/不锈钢网一体化电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球经济一体化的逐步扩大，我国社会进入稳定的中高速发展阶段，人民生活水平不断提高的同时环境问题也在不断加剧。因此在化石燃料总量骤减、传统能源不可再生以及环境污染日益严重等问题上，积极探索开发具有清洁型且可持续再生特点的新能源替代传统的化石能源，满足社会需求，是人们关注并亟待解决的问题。利用能量转换进行新能源的开发是一种积极有效的清洁能源探索新路径，其中将化学能转化为电能，或者将电能储存在化学键中的方法具有较高的经济效益，电解水过程则是其中有效转换形式之一。

电解水是一种大家所熟知的能量转换形式，其反应过程主要是利用外加电场的作用，两个电极发生反应，阳极处生成氧气，阴极处生成氢气；其中氢气的热值是142.9MJ Kg^-1，是所有已知燃料中质量能量密度最高但二氧化碳排放量最低的一种理想的能源载体；而氧气作为生物体的必需物质，对人类社会也至关重要。因此，电解水过程具有高效、清洁、环境友好且可再生等特点，被认为是未来最具有可发展性的储能技术之一。

镍元素由于具有较高的化学稳定性以及相对较低的价格，被广泛用于催化反应过程中。在OER催化反应中，镍系催化剂通过掺杂地球上一些储量丰富的元素如铁、钴、锰、锌等可大大增强其催化活性。Zhou等为了更好地理解由于铁、锌掺杂所引起的催化活动，其通过计算作为OER催化剂Ni_yM(OH)_x(M＝Fe和 Zn)上的氧结合能进而测量OER活性，其基于Ni₂M(OH)₆模型对氢氧根团簇进行了模拟，发现氢氧根团簇的氧结合能按照以下顺序依次增大：Ni₂Zn(OH)₆ Ni₃(OH)₆Ni₂Fe(OH)₆，但是无定型氢氧化物的反应活性则是按照相反的顺序变化。此外，还有一些针对铁元素在氢氧化物中对OER影响的相关报道，Trotochaud 等认为NiFe材料的电导率增加是由于Fe的存在在Ni上诱导了部分电荷，而不是由于电催化活性。也有报道称，在OER活性中，过渡金属的活性顺序为FeCo Ni，其主要是与M-OH键的结合强度有关，Chen等报道称，在电解水过程中， NiFe氢氧化物中Fe⁴⁺的存在对于催化活性不负责，但它对增强OER活性具有关键作用。Dong等使用DFT+U计算，研究了Ni/Fe LDH上按照2:1比例的时OER 机制，他们发现第一步反应发生在去质子的层级上，质子与OH^-反应生成水分子，正位构型的Ni₂Fe材料显示出较好的OER活性，因为它具有最低的质子去除能。