[发明专利]一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将铁盐和钴盐加入预制备的分散有黑磷纳米片的N，N‑二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌均匀后，获得混合液；在混合液中加入对苯二甲酸，常温搅拌均匀后再依次加入水、乙醇和三乙胺，常温搅拌使金属离子与对苯二甲酸进行配位形成MOF框架，离心并乙醇洗涤，获得离心沉淀物；将所述离心沉淀物真空干燥，获得电解水双功能电催化剂。本发明的方法，可制备廉价高效稳定的FeCoMOF/BP复合材料双功能电解水催化剂，相比于上述现有催化剂具有更优异的活性、稳定性，可适于工业化应用。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，特别涉及一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，鉴于化石燃料枯竭、环境污染严重等危害人类生存的问题的日趋严重，清洁可再生能源成为研究热点；其中，氢能因为无污染、热量高等优点被大力发展。

目前，甲烷和石油天然气的煤气化重整是生产氢气的主要方法，占氢气总量的95％以上；但甲烷和石油天然气的煤气化重整严重依赖化石燃料，会产生大量的二氧化碳和一氧化碳副产物，严重加剧环境问题，不符合绿色可持续发展。电解水制氢可使用太阳能、风能、潮汐能、以及生物质能等清洁能源产生的电力来驱动发生，且氢纯度较高、安全性较好，成为了研究热点。电解水包括两个反应：阴极发生析氢反应(HER)，阳极发生析氧反应(OER)；其需要施加额外电压才能顺利发生反应；因此，通过设计高效的阴极、阳极催化剂来提升反应速率，降低反应过电势，是将电解水制氢推向工业化的必经之路。

目前，商业析氢催化剂为Pt/C，析氧催化剂为RuO₂和IrO₂；但是，Pt、Ru、Ir均为贵金属，具有储量低、价格昂贵且稳定性较差的缺陷。因此，发展非贵金属催化剂来获取高效稳定性的双功能电解水催化剂是替代贵金属催化剂的可行方案。金属有机结构框架(MOF)因其较大的比表面积、超高的孔隙率、可调的孔尺寸和可修饰的官能团等特点备受关注，MOF材料的研究主要集中在析氧反应，但其析氢反应性能较差；另一方面，黑磷(BP)因其可调节的带隙、较大的载流子速率、热动力学稳定的特点也被用来作为电催化剂，但是黑磷本身的析氢和析氧性能并不优异，因此制备黑磷基复合纳米材料是改善其催化性能的必要手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的方法，可制备廉价高效稳定的FeCoMOF/BP复合材料双功能电解水催化剂，相比于上述现有催化剂具有更优异的活性、稳定性，可适于工业化应用。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种电解水双功能电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将铁盐和钴盐加入预制备的分散有黑磷纳米片的N，N-二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌均匀后，获得混合液；

在混合液中加入对苯二甲酸，常温搅拌均匀后再依次加入水、乙醇和三乙胺，常温搅拌使金属离子与对苯二甲酸进行配位形成MOF框架，离心并乙醇洗涤，获得离心沉淀物；

将所述离心沉淀物真空干燥，获得电解水双功能电催化剂。

本发明的进一步改进在于，所述混合液中，铁离子与钴离子的摩尔比为1：(1～3)。

本发明的进一步改进在于，所述铁盐为九水合硝酸铁或六水合三氯化铁。

本发明的进一步改进在于，所述钴盐为六水合硝酸钴、六水合氯化钴或四水合乙酸钴。

本发明的进一步改进在于，所述预制备的分散有黑磷纳米片的N，N-二甲基甲酰胺溶液的获取步骤包括：

将四丁基四氟硼酸铵装入有N，N-二甲基甲酰胺溶液的电解池中；