三維析氧電極陽極材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術公開了一種三維析氧電極陽極材料及其制備方法和應用，本發明專利技術通過水熱反應和自組裝技術，將四氧化三鈷沉積在泡沫鎳上，并用石墨烯進行包覆，避免了四氧化三鈷活性及穩定性較差，以及泡沫鎳在析氧反應條件下穩定性差，不能直接用作析氧電極的缺點，所獲得的復合材料能夠直接用于三維析氧電極，無需另外添加粘結劑，簡化了電極的工藝，并且所述電極在作為電解水陽極時具有良好的析氧電催化活性與穩定性，在RFC和堿性電解池等方面有廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電池材料領域，具體涉及一種三維析氧電極陽極材料及其制備方法和應用。
技術介紹
氫被譽為最有潛能的能源載體，具有清潔、高效、來源廣泛等優點，因而有望解決當前化石燃料日益枯竭與生態環境惡化的危機。電解水制氫是一種可用于大規模制氫的極具潛力的方法，但是其效率嚴重地受制于動力學非常緩慢的析氧反應。盡管RuO2、IrO2和RhO2等具有較好的析氧催化活性，但由于其價格昂貴，儲量稀缺，無法滿足大規模應用的需求。另外，雖然近些年來基于非貴過渡金屬氧化物的析氧催化劑由于其來源豐富和高的理論催化活性而受到廣泛的關注，但是現階段大都通過電沉積、旋涂、浸涂、磁控濺射等方法將這些催化劑以薄膜的形式生長至二維基底上，因而它們的活性和穩定性仍較低，難以滿足實際應用的需求。泡沫鎳具有三維的多孔結構、較高的比表面積、較好的導電性以及較低的成本，因此在很多電化學裝置中可以作為高效的載體和集流體，但是由于它在析氧反應條件下穩定性較差，不能直接用作析氧電極。因此，在泡沫鎳上生長非貴過渡金屬氧化物析氧催化劑，從而在增加電極穩定性的同時，提高其析氧催化性能是一種可行的思路，而由于石墨烯具有較好的導電性和較大的比表面積因而在電化學能量儲存和轉換器件中具有十分巨大的應用潛力，因此，將石墨烯包覆在泡沫鎳表面有望進一步提高泡沫鎳支撐析氧電極的析氧催化性能。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于提供一種三維析氧電極陽極材料，該電極材料可直接用作<br>電極，無需添加粘結劑等，并且所述材料制備的析氧電極具有更高的析氧催化性能；本專利技術還提供了上述三維析氧電極陽極材料的制備方法和應用。為達到本專利技術所述目的，采取的技術方案如下：1、一種三維析氧電極陽極材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將泡沫鎳進行表面清洗；(2)將Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2按照重量比為1～3:7:10的比例配制成前驅體溶液，將前驅體溶液置于反應容器中并于120～180℃條件下反應2～5h，獲得前驅體；(3)將步驟(2)所得前驅體用水洗凈后于50～100℃條件下真空干燥10～15h，再在氬氣的保護下于300～600℃煅燒退火2h，升溫速度為1～5℃/min，獲得沉積Co3O4的泡沫鎳；(4)將步驟(3)獲得的沉積Co3O4的泡沫鎳在多胺類聚合物溶液中浸泡0.5～2h，然后用水洗凈并在氧化石墨烯溶液中浸泡2～6h，洗凈后再在質量分數為60～80％的水合肼溶液中浸泡0.5～2h，最后洗凈并在70℃下真空干燥12h，即可得三維析氧電極陽極材料；所述多胺類聚合物溶液濃度為0.1～10mg/mL，所述氧化石墨烯溶液濃度為0.1～1mg/mL。優選的，所述步驟(1)中所述清洗過程為先用丙酮超聲清洗5～10min，然后用水洗凈，再用0.01～0.1mol/L的鹽酸溶液浸泡5～15min，最后用水洗凈。優選的，所述步驟(2)所述Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2按重量比為2：7：10的比例配制成前驅體溶液。優選的，所述步驟(2)中反應溫度為150℃，反應時間為5h。優選的，所述步驟(2)中反應溫度為180℃，反應時間為3h。優選的，所述步驟(3)為將步驟(2)獲得的前驅體用水洗凈后于70℃條件下真空干燥12h，再在氬氣的保護下于400℃煅燒退火2h，升溫速度為2℃/min，獲得沉積Co3O4的泡沫鎳。優選的，所述步驟(4)中所述多胺類聚合物溶液為聚乙烯亞胺、聚烯丙基胺或聚丙烯酰胺溶液，溶液濃度為1mg/mL，氧化石墨烯溶液濃度為0.2mg/mL，水合肼溶液的質量分數為60～80％。2、上述方法制備的三維析氧電極陽極材料。3、三維析氧電極陽極材料作為析氧電極的應用。本專利技術的有益效果在于：本專利技術通過水熱反應和自組裝技術，將四氧化三鈷沉積在泡沫鎳上，并用石墨烯進行包覆，避免了四氧化三鈷活性及穩定性差，以及泡沫鎳在析氧反應條件下穩定性較差，不能直接用作析氧電極的缺點，所獲得的復合材料能夠直接用于三維析氧電極，無需另外添加粘結劑，簡化了電極的工藝，并且所述電極在作為電解水陽極時具有良好的析氧電催化活性與穩定性，在RFC和堿性電解池等方面有廣泛的應用前景。另外，本專利技術所述電極材料以泡沫鎳為基底材料，以四氧化三鈷和石墨烯為修飾材料制得，所用材料價格低廉，利于降低生產成本。并且，雖然泡沫鎳在堿性水電解中廣泛作為陽極材料使用，但是泡沫鎳存在一個致命的缺點，即泡沫鎳在堿性溶液中催化性能不穩定，在很短的時間內其催化性能就能夠降低60％，而本專利技術所述三維析氧電極陽極材料不僅催化性能有很大幅度的提高并且具有很好的穩定性，在10000min后其催化性能仍然保持了原有的80％。附圖說明為了使本專利技術的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本專利技術提供如下附圖，需要說明的是，圖中Ni-Co3O4G代表本專利技術制備的組裝有四氧化三鈷納米片和石墨烯的泡沫鎳，Nifoam為泡沫鎳：圖1為三維析氧電極陽極材料的場發射掃描電鏡圖片，其中a圖為泡沫鎳的場發射掃描電鏡圖片，b圖為組裝了四氧化三鈷納米片和石墨烯的泡沫鎳場發射掃描電鏡圖片。圖2為三維析氧電極陽極材料的XRD圖譜。圖3為三維析氧電極陽極材料的拉曼圖譜。圖4為泡沫鎳和三維析氧電極陽極材料的線性掃描曲線。圖5為泡沫鎳和三維析氧電極陽極材料在電位為1V時的電流時間曲線。具體實施方式下面對本專利技術的優選實施例進行詳細的描述。需要說明的是，Ni-Co3O4G代表本專利技術制備的組裝有四氧化三鈷納米片和石墨烯的泡沫鎳，Nifoam為泡沫鎳。實施例1所述三維析氧電極陽極材料的制備方法如下：(1)將片狀泡沫鎳用丙酮超聲清洗5～10min，然后用水洗凈，再用0.01～0.1mol/L的鹽酸溶液浸泡5～15min，最后用水洗凈；(2)將Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2按照重量比為2:7:10的比例配制成前驅體溶液，將前驅體溶液置于聚四氟乙烯反應釜中并于120～180℃條件下反應2～5h，獲得前驅體；(3)將步驟(2)獲得的前驅體用水洗凈后于50～100℃條件下真空干燥10～15h，再在管式爐中于氬氣的保護下300～600℃煅燒退火2h，期間保持升溫速度為1～5℃/min，獲得沉積Co3O4的泡沫鎳；(4)將步驟(3)獲得的沉積Co3O4的泡沫鎳在聚乙烯亞胺溶液中浸泡0.5～2h，用水洗凈，然后在氧化石墨烯溶液中浸泡2～6h，洗凈后再在質量分數為60～80％的水合肼溶液中浸泡0.5～2h，洗本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三維析氧電極陽極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：(1)將泡沫鎳進行表面清洗；(2)將Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2按照重量比為1～3:7:10的比例配制成前驅體溶液，將前驅體溶液置于反應容器中并于120～180℃條件下反應2～5h，獲得前驅體；(3)將步驟(2)所得前驅體用水洗凈后于50～100℃條件下真空干燥10～15h，再在氬氣的保護下于300～600℃煅燒退火2h，升溫速度為1～5℃/min，獲得沉積Co3O4的泡沫鎳；(4)將步驟(3)獲得的沉積Co3O4的泡沫鎳在多胺類聚合物溶液中浸泡0.5～2h，然后用水洗凈并在氧化石墨烯溶液中浸泡2～6h，洗凈后再在質量分數為60～80％的水合肼溶液中浸泡0.5～2h，最后洗凈并在70℃下真空干燥12h，即可得三維析氧電極陽極材料；所述多胺類聚合物溶液濃度為0.1～10mg/mL，所述氧化石墨烯溶液濃度為0.1～1mg/mL。

【技術特征摘要】
1.一種三維析氧電極陽極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
(1)將泡沫鎳進行表面清洗；
(2)將Co(NO3)2·6H2O、NH4F和CO(NH2)2按照重量比為1～3:7:10的比例配制成前驅
體溶液，將前驅體溶液置于反應容器中并于120～180℃條件下反應2～5h，獲得前驅體；
(3)將步驟(2)所得前驅體用水洗凈后于50～100℃條件下真空干燥10～15h，再在氬
氣的保護下于300～600℃煅燒退火2h，升溫速度為1～5℃/min，獲得沉積Co3O4的泡沫鎳；
(4)將步驟(3)獲得的沉積Co3O4的泡沫鎳在多胺類聚合物溶液中浸泡0.5～2h，然后
用水洗凈并在氧化石墨烯溶液中浸泡2～6h，洗凈后再在質量分數為60～80％的水合肼溶液中
浸泡0.5～2h，最后洗凈并在70℃下真空干燥12h，即可得三維析氧電極陽極材料；所述多
胺類聚合物溶液濃度為0.1～10mg/mL，所述氧化石墨烯溶液濃度為0.1～1mg/mL。
2.如權利要求1所述的三維析氧電極陽極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中
所述清洗過程為先用丙酮超聲清洗5～10min，然后用水洗凈，再用0.01～0.1mol/L的鹽酸溶液
浸泡5～15min，最后用水洗凈。

【專利技術屬性】
技術研發人員：袁偉永，趙明，李長明，
申請(專利權)人：西南大學，
類型：發明
國別省市：重慶;85