[发明专利]一种基于石墨烯泡棉电解水析氢电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于石墨烯泡棉电解水析氢电极及其制备方法，首先通过氧化石墨烯膜高温石墨化为石墨烯泡棉，再通过溶剂热法初步在石墨烯泡棉上负载贵金属，最后通过高温热解，使负载在石墨烯泡棉上的贵金属形成纳米颗粒，得到负载贵金属纳米颗粒的石墨烯泡棉电极。本发明制得的负载贵金属纳米颗粒的石墨烯泡棉电极具有优异的催化性能，高导电性，高水析氢活性以及优异的循环稳定性。本申请的制备方法技术工艺简单易行，绿色环保，可规模化生产，在其他储能及能量转换器件中也广泛适用，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明电催化析氢涉及领域，具体涉及一种基于石墨烯泡棉电解水析氢电极及其制备方法。

背景技术

氢气（H₂）作为一种绿色、清洁能源，被广泛认为是传统化石燃料的有效替代品。氢气可以通过许多有效的策略制备，如化石燃料的精炼、甲烷重组和光催化水裂解等。其中，电解水被普遍认为是无碳排放且最有前景的制备H₂的有效策略之一。 通常，电解水包括两个半反应，即阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER），这两种反应都需要有效的电催化剂来降低能量消耗过程的过电位。随着电催化剂的快速发展，科研人员已成功开发出许多催化性能优异的电催化剂，显著提高了电解水制氢的效率。然而，传统的贵金属基酸性/碱性制氢催化剂的成本过高，稳定性相对不理想。因此开发在酸性/碱性介质中稳定存在、廉价易得、高催化活性的电极或催化剂十分必要。

公开号为CN106048640A发明公开了一种石墨表面原位石墨烯化负载Pt电催化析氢催化剂的制备方法，通过电解石墨块得到原位石墨烯化的石墨块后，利用循环伏安法电沉积的方法，用Pt片电极做对电极，将阳极Pt片电极溶出的Pt沉积于阴极石墨烯化的石墨块表面，得到的电极材料表现出优异的电催化析氢活性和稳定性。公开号为CN112481635A的发明公开一种贵金属铱析氢电催化剂及应用，通过电沉积法形成一种负载在碳载体上的复合材料氧化铱-钴基磷酸盐-碳载体，具有较低的铱负载量，展现出优异的HER的电化学性能，能与商业Pt/C催化剂的性能媲美。上述现有技术均采用电沉积法在碳基底表面上负载贵金属，存在表面负载不均匀，贵金属易团聚、难以形成纳米结构的缺点。

公开号为CN112892528A发明公开了种贵金属/碳纳米复合催化剂、其制备方法和应用，采用表面具有含氧官能团的碳材料的分散液以及贵金属/乙二醇胶体，在加热条件下进行反应，碳材料表面的含氧官能团被还原的同时实现碳基质与贵金属纳米粒子的结合，实现了贵金属/乙二醇胶体中的乙二醇对含氧官能团的去除并产生静电结合，能够促进电子转移和协同效应，达到高效的电解水产氢效果。采用静电方式实现碳基质与贵金属纳米粒子的结合，结合并不十分稳定，制得的贵金属/碳纳米复合催化剂需要经过修饰过电极之后才可以投入工作。

发明内容

本发明提供了一种基于石墨烯泡棉电解水析氢电极及其制备方法，通过水热法将贵金属离子负载在石墨烯泡棉基底上，通过高温热解得到负载贵金属纳米颗粒的石墨烯泡棉电极。通过该方法制备得到的低载铂量石墨烯三维通道膜电极具有优异的催化性能，高导电性，高活性以及优异的循环稳定性。

本发明解决上述技术问题的方案如下：一种基于石墨烯泡棉电解水析氢电极的制备方法，包括以下步骤：

1）取氧化石墨烯膜在保护气氛围下加热至第一温度并保温，得到碳化膜；将碳化膜加热至第二温度并保温，得到石墨烯泡棉；

2）将石墨烯泡棉浸泡在贵金属溶液中，通过溶剂热法制得到负载贵金属相的石墨烯泡棉；

3）将负载贵金属相的石墨烯泡棉在保护气氛围下加热至第三温度保温，得到负载贵金属纳米颗粒的石墨烯泡棉电极。

优选的，所述步骤1）中，氧化石墨烯膜的碳氧比为1:2~4。氧化石墨烯膜可以通过刮刀涂覆、真空抽滤、旋转离心喷涂、加热蒸发等方法制得。

优选的，所述步骤1）中，第一温度为800~2000℃，保温时间为0.5~6 h，升温速率为1~20 ℃/min。