[发明专利]一种铜基纳米棒电催化剂、制备方法以及在电化学尿素分解制氢中的应用

说明书

本发明公开了一种多孔泡沫铜负载的氧化铜纳米线催化剂、制备方法及其应用。通过简单的化学腐蚀再煅烧制备了氧化铜纳米线，探索了其在电化学尿素分解辅助制氢领域的应用。首先通过化学腐蚀在氧化铜表面原位生长氢氧化铜，在通过惰性气氛煅烧得到自支撑的氧化铜纳米线阵列。所得到的自支撑材料可直接用作工作电极，避免了传统的玻碳电极测试方法的缺点。纳米线阵列具有相对较大的比表面积，有利于反应过程中反应物及产物的扩散。相较于传统的镍基催化剂，铜基催化剂具有储量多、价格低的特点，但其在尿素电化学分解领域的研究还很缺乏。本发明制备的材料具有合适的价态以及形貌，能够作为有效的尿素氧化电催化剂，表现出较好的活性和选择性。

技术领域

本发明涉及电化学有机小分子分解及制氢领域，具体的，是一种基于化学腐蚀作用制备的氧化铜纳米棒阵列及其在电化学尿素分解辅助的制氢领域的应用。

背景技术

工业革命推进的化石能源的使用为我们的生活带来了极大的便利，同时化石燃料的过度使用伴随的能源短缺及环境污染问题也严重制约了社会的发展^[1]。氢气作为一种高热值，产物无污染的新型清洁绿色能源近年来正获得越来越多的研究关注。传统的化石能源重整制氢产量小，污染高；而新型的可再生能源制氢又受到其间接性特点的限制。利用电解水的方式制氢不仅可以高效的将这些清洁转化成化学能，而且可以根据需要随时再转化成电能。电解水(H₂O→O₂+H₂,E＝1.23V)由两个半反应组成，分别是发生在阳极的氧析出反应和发生在阴极的氢析出反应。这其中氧析出反应由于其复杂的四步电子耦合质子的过程所伴随的高的反应能垒而成为整个电解水制氢的速控步骤^[2][3]。在过去的几十年，针对电解水阳极反应动力学慢的特点，有数量庞大的电催化剂被开发出来。这其中具有代表性的有层状双层氢氧化物，氧化物，硫化物，磷化物，碳材料，单原子等。但无论材料科学如何发展，约200-500mV的过电位始终限制了电解水制氢的整体效率^[4]。

针对电解水制氢较大的能量消耗这一问题，除了开发高效的电催化剂，采用一定的策略降低整个反应的热力学平衡电位也被证实是一种行之有效的策略^[5]。考虑到有些小分子氧化时的电位远低于电解水阳极的氧析出电位，用小分子氧化取代氧析出反应为降低电解水的能耗提升效率提供了新的研究方向。常见的可用于阳极小分子氧化的反应的有机物包括尿素，甲醇，联肼，苯甲醇等。这其中尿素作为一种富含于工农业废水中的有机物，具有相对较低的平衡电位(0.37V vs.1.23V)^[6]。过去的研究表明，富含金属镍的催化剂一般对尿素氧化(UOR)表现出较好的性能，但是受限于镍较高的价格以及导电性，导致了这种催化剂在UOR中的用途仍然受限。

参考文献：

[1]S.Chu,A.Majumdar.Opportunities and challenges for a sustainableenergy future.Nature,2012,488(7411):294.

[2]G.Gahleitner.Hydrogen from renewable electricity:An internationalreview of power-to-gas pilot plants for stationary applications.InternationalJ.Hydrogen Energy,2013,38(5):2039-2061

[3]Lagadec MF,Grimaud A.Water electrolysers with closed and openelectrochemical systems.Nat Mater.2020；19:1140–1150.