[发明专利]一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化技术领域，具体公开了一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法和应用。本发明的电极在多孔导电基底上原位生长有Fe₂O₃纳米片和CuO四面体纳米颗粒，且CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe₂O₃纳米片上，形成了二维异质结构的自支撑电极。这种二维异质结构使得该电极具有更大的比表面积，暴露出更多的活性位点，调整了电极材料的电子结构；加之多孔导电基底的自支撑结构保证了金属氧化物电极的高导电性，并实现了活性组分与导电基底的有效整合，这些性质相互协调，大大提高了自支撑电极的催化反应活性。实验结果表明，本发明的自支撑电极具有较高的电化学性能和稳定性，在碱性电解液中具有优异的析氢和析氧反应活性。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种异质结构的双功能自支撑电极及其制备方法，以及该电极在电解水方面的应用。

背景技术

由于化石燃料的使用加剧了环境污染，急需一种可代替传统化石燃料的新能源。氢能是公认为的最具应用前景的新能源，具有较高的能量密度，且氧化产物为水，对环境友好，是一种绿色清洁能源。但是，目前广受青睐的电解水制氢技术仍存在许多问题。例如，如何降低阳极析氧反应和阴极析氢反应的过电位，实现在低电位下产氢，如何降低电能消耗和制氢成本等，这些都是科技工作者需要解决的技术难题。有研究发现，贵金属电极能够有效降低电解水时阴阳两极的过电位，但是这类金属地壳丰度低、价格昂贵，限制了其大规模应用。因此，开发廉价高效的非贵金属催化剂将有利于解决上述问题。

目前开发非贵金属催化剂的基本思路是通过调节组成(如阴、阳离子掺杂)、构造特殊形态(如合金、核壳或异质结构)、构造缺陷等改变材料的电子结构及微观形貌，从而改善催化剂电解水制氢的性能。例如，中国专利CN110219013A公开的一种自支撑氮修饰铁镍氢氧化物电解水双功能电极材料，先通过水热法制备NiFe-LDH前驱体，再以氨水为氮源，通过水热法制备氮修饰的NiFe-LDH纳米片电极材料。该专利在Ni-foam基底上原位合成层状双金属氢氧化物(NiFe-LDH)，既能利用Ni-foam基底的导电性，还能通过原位合成降低NiFe-LDH与Ni-foam基底之间的电阻；再以氨水为氮源，经二次水热反应在NiFe-LDH中掺入氮原子，能显著提高电极的全解水性能。但是该专利的制备工艺较为复杂，需要进行二次水热处理，不易于操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种异质结构的双功能自支撑电极，利用异质结构的设计调整电极材料的电子结构，加速反应界面的电子转移速率，从而提高电极材料的电化学性能，弥补了传统金属氧化物电极只能作为析氧反应电极的劣势。

同时，本发明还提供一种异质结构的双功能自支撑电极的制备方法。

最后，本发明再提供一种异质结构的双功能自支撑电极在电解水方面的应用。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种异质结构的双功能自支撑电极，所述电极在多孔导电基底上原位生长有Fe₂O₃纳米片和CuO四面体纳米颗粒，所述CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe₂O₃纳米片上。

本发明的自支撑电极在多孔导电基底上原位生长有Fe₂O₃纳米片和CuO四面体纳米颗粒，其中CuO四面体纳米颗粒均匀附着在Fe₂O₃纳米片上，形成了二维异质结构的自支撑电极。这种二维异质结构使得该电极具有更大的比表面积，从而暴露出更多的活性位点，调整了电极材料的电子结构，同时多孔导电基底的自支撑结构保证了金属氧化物电极的高导电性，这些性质相互协调，大大促进了活性材料性能的发挥。实验结果表明，本发明的自支撑电极可与商用的Pt/C电极和RuO₂电极的性能相媲美，是一种优异的双功能电解水电极材料。