[发明专利]一种酸性全分解水电催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于电催化剂的，特别涉及一种过渡金属掺杂的具有超薄纳米片复合纳米线多级结构阵列的酸性全分解水电催化剂及其制备方法。

背景技术

在同一种电解质中的全电解水产氢和产氧是应对能源短缺和环境污染的一种有效解决途径，但同时也面临着巨大的挑战。在这个领域中，设计和获得高性能的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)双功能电催化电极材料一直是研究人员的目标。目前，贵金属(Pt，IrO₂和RuO₂等)催化剂表面活性高，对HER和OER有极好的催化性能，但是其成本高、储量少并不能满足实际需求。因此，近年来发展以过渡金属元素组成的碳化物、氯化物、硫化物和磷化物等作为高效环保的HER催化剂，过渡金属元素组成的氧化物和磷酸盐等作为高效OER电催化剂成为当前的研究热点。但是，这些催化剂在同一电解质中同时用作OER和HER双功能催化剂，则存在着活性低、稳定性差等问题，从而限制了它们的规模化应用。基于此，设计合成新型、高性能，能在同一个电解质中实现高效析氢和析氧的非贵金属材料的双功能电催化剂，成为当今材料科学与新能源领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的，是为了解决现有析氧和析氢反应催化剂在同一电解质中用作双功能催化剂时，存在的催化电流密度低，过电位较高，稳定性差等问题，提供一种过渡金属掺杂的具有超薄纳米片复合纳米线多级结构阵列的全分解水电催化剂，极大地降低了析氧反应和析氢反应的过电势和起峰电位，为全分解水体系催化剂的功能导向性设计与性能优化提供了新的思路和策略。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种酸性全分解水电催化剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)将导电基底在1摩尔/升～5摩尔/升的盐酸中超声清洗5～20分钟，然后转移至丙酮溶液中超声清洗5～20分钟，再转移至乙醇溶液中超声清洗5～20分钟，最后用去离子水冲洗导电基底表面，再放到25～80℃的烘箱中干燥60～180分钟。

(2)配制具有可溶性钴盐、可溶性锰盐、氟化铵和尿素的第一水溶液，所述可溶性钴盐浓度为0.001-0.01摩尔/升，可溶性锰盐浓度为0.0005-0.01摩尔/升，氟化铵浓度为0.01-0.1摩尔/升，尿素浓度为0.0125-0.1摩尔/升，所述可溶性钴盐和锰盐为硝酸盐、硫酸盐或醋酸盐中的任何一种；

将上述第一溶液磁力搅拌5～30分钟后转移至反应釜中，再将步骤(1)处理后的导电基底倾斜放入第一反应釜中，然后密闭该反应釜，升温至80℃～200℃，在自生压力下进行第一次水热反应，反应时间为5～20小时，以在该导电基底表面上垂直生长锰钴碱式碳酸盐纳米线阵列；

(3)取出步骤(2)的导电基底，用去离子水冲洗导电基底表面，随后放入25～80℃的烘箱中干燥60～180分钟；

(4)配置具有可溶性钴盐、可溶性锰盐、还原剂、氟化铵和尿素的第二水溶液，所述可溶性钴盐浓度为0.001-0.01摩尔/升，可溶性锰盐浓度为0.0005-0.01摩尔/升，锰离子和钴离子的总离子浓度维持在0.0015摩尔/升，还原剂浓度为0.0005-0.01摩尔/升，氟化铵浓度为0.01-0.1摩尔/升，尿素浓度为0.0125-0.1摩尔/升，所述可溶性钴盐和锰盐为硝酸盐、硫酸盐或醋酸盐中的任何一种，还原剂为柠檬酸钠或抗坏血酸；

将上述第二溶液磁力搅拌5～30分钟后转移至第二反应釜中，再将步骤(3)处理后的导电基底斜置放入第二反应釜中，密封该反应釜，升温至80℃～200℃，在自生压力下进行第二次水热反应，反应时间为5～20小时，以在每个所述锰钴碱式碳酸盐纳米线表面上进行二次生长锰钴碱式碳酸盐纳米片，形成锰钴碱式碳酸盐纳米片复合纳米线多级结构；

(5)再次取出步骤(4)该导电基底，用去离子水冲洗该导电基底表面，然后放到25～80℃的烘箱中干燥60～180分钟；

(6)在管式炉的石英管中放置两个瓷舟，将步骤(5)处理后的导电基底放到石英管下方的瓷舟中，同时在石英管上端靠近进气口的瓷舟中放入磷源，于氮气或者氩气气氛中、在200～1000℃煅烧0.5～8小时，然后冷却至室温，使得锰钴碱式碳酸盐超薄纳米片复合纳米线多级结构转变为掺锰的磷化钴超薄纳米片复合纳米线多级结构的酸性全分解水电催化剂，命名为1D/2D Mn-CoP。

所述步骤(1)的导电基底为泡沫镍既NF、钛片或碳布中的任何一种。

所述步骤(6)的磷源为次磷酸钠、磷酸钠。

本发明的有益效果如下：