[发明专利]一种基于泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的析氢析氧双功能催化电极及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种基于泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的析氢析氧双功能催化电极及其制备方法和应用，双功能催化电极制备方法包括以下步骤：1)将泡沫镍进行预处理作为自支撑基体；2)预处理后的泡沫镍在含有有机苯硼酸的电解液中电聚合，载体表面形成有机苯硼酸聚合物膜；3)将电沉积有机苯硼酸聚合物膜的泡沫镍浸在金属盐前驱体溶液中，通过吸附自组装形成泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐作为析氢析氧双功能催化电极。本发明所述的通过吸附自组装形成泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的制备方法适用于硼酸钌、硼酸铁、硼酸钴和硼酸镍等多种金属过渡金属苯硼酸盐聚合物的自支撑体系，相应的电极在碱性条件下具有优异的析氢析氧双功能电催化性能和稳定性。本发明提供的基于泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的析氢析氧双功能催化电极具有制备方法简单便捷、成本低廉、适应于大批量制备及性能优异等优点，在大规模工业水电解中有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及电催化电极制备及应用领域，特别涉及泡沫镍自支撑的析氢析氧双功能催化电极的制备以及该电极在电解水析氢析氧上的应用，属于电催化领域。

背景技术

电解水制氢被认为是解决环境问题和能源危机的一种很有前途的方法。水电解是阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)两个半反应的组合。但这些反应在热力学上并不能自发进行，引发水电解所需的理论电势为1.23V。但由于能量转换过程中的能量损失，需要提供比理论值更多的额外电势。为了适应工业水电解降低水电解过程中过电位和能量损耗的要求，要求电催化电极具有高催化活性、高导电性、高稳定性等特点，同时有利于析氢、析氧过程的传质及无扰动气体释放等。

目前，应用于工业水电解的电催化电极主要是负载铂、钌/铱及其氧化物等最先进的材料作为析氢或析氧的高效电催化剂。但是，由于它们的地球储量不足、昂贵、大电流密度的高过电位以及缺乏稳定性，这些珍贵材料的大规模工业应用存在局限性。近年来人们大力开发各种高效析氢析氧电催化剂以替代现有的贵金属催化剂。然而，大多数已报道的催化剂只能单方面对HER或OER表现出一定的催化活性和稳定性，这使得工业集成电解槽的结构复杂。为了简化电解槽并降低工业应用的总体成本，开发既能催化HER过程又能催化OER过程的双功能电催化电极仍然是推进大规模工业水电解制氢并促进氢经济飞速发展的关键。

最近，一些研究表明，过渡金属硼酸盐(TM-Bi)对HER和OER都具有一定的催化活性。

基于上述，本申请发明人发明一种制备方法简便但同时高效催化析氢反应和析氧反应的电催化电极，能够用于工业水电解。

发明内容

本发明提供一种基于泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的析氢析氧双功能催化电极及其制备与应用，该双功能催化电极制备方法简单便捷、成本低廉、适应于大批量制备，具有优异的析氢和析氧电催化性能，在大规模工业水电解中有着广阔的应用前景。本发明主要采用如下技术方案实现：

一种基于泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的析氢析氧双功能催化电极的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)泡沫镍的预处理：首先，将泡沫镍分别在丙酮溶液、乙醇和去离子水中超声清洗15 分钟，将所得泡沫镍收集备用。

2)电沉积有机苯硼酸聚合物膜：将有机苯硼酸化合物溶解在水溶液中，充分搅拌形成有机苯硼酸的均匀水溶液，作为电聚合的电解液。以处理后的泡沫镍分别作为工作电极和为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。采用电化学方法在泡沫镍电极上原位电沉积有机苯硼酸聚合物膜PAB/NF。电沉积后，取出泡沫镍用水冲洗干净，真空干燥待用。

3)析氢析氧双功能催化电极制备：将电沉积了有机苯硼酸聚合物膜的泡沫镍裁剪适当尺寸后浸在0.01％～0.05％的金属盐前驱体水溶液中，室温下静置6-24h进行吸附自组装，取出泡沫镍反复用去离子水冲洗，经干燥得到基于泡沫镍自支撑聚合苯硼酸盐的析氢析氧双功能催化电极PABM/NF(M为Ru、Fe、Co或Ni)。优选的，所述步骤2)中，有机苯硼酸化合物为4-氨基苯硼酸或3-氨基苯硼酸。