本發(fā)明涉及電解水催化電極，尤其涉及一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著全球人口的持續(xù)增長和世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對能源的需求急劇上升。因此，石油和煤炭等不可再生能源的消耗導(dǎo)致的全球能源危機(jī)和環(huán)境問題日益嚴(yán)重。在當(dāng)前，氫能作為一種環(huán)保、可循環(huán)的能源受到全球關(guān)注。電解水技術(shù)是生產(chǎn)綠氫的主要方式，具有清潔、無污染、產(chǎn)物純度高的特點(diǎn)，已被認(rèn)為是最有前景的制氫技術(shù)。該技術(shù)包括陽極析氧反應(yīng)和陰極析氫反應(yīng)，所利用的傳統(tǒng)催化電極主要是貴金屬，但儲量低、高成本和穩(wěn)定性差等原因限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。因此，研究開發(fā)資源豐富、價格低廉、催化活性高的電解水催化電極意義重大。

2、而目前在水電解制氫領(lǐng)域，用的最多的基底為泡沫鎳、泡沫銅、碳布、碳紙等價格昂貴的材料。木材是一種極有前途的天然有機(jī)復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)層次分明，復(fù)雜有序，具備各向異性、低密度、優(yōu)異的機(jī)械性能等特點(diǎn)。在高溫碳化之后，仍可保持其原有的結(jié)構(gòu)，為催化材料的負(fù)載提供一個優(yōu)良平臺，將其與電催化材料結(jié)合可大大提升電解水的效率和性能。

3、在一系列過渡金屬元素中，鎳、鐵元素在自然界儲量大，且元素之間獨(dú)特的協(xié)同效應(yīng)和電子結(jié)構(gòu)能夠?yàn)樗Y(jié)合的材料提供大量活性位點(diǎn)，提高材料的氧化還原特性。因此鎳鐵基材料已經(jīng)成為oer的最高效的催化電極之一。與此同時，磷化鉬因其成本低廉、催化活性高，被廣泛用于her催化。然而活性位點(diǎn)不足和導(dǎo)電性差提升了它們的設(shè)計與制備的復(fù)雜性，使得電解水催化效果差。

4、基于此，本申請?zhí)岢鲆环N以三維多孔碳化木為基底，鎳、鐵、鉬三原子協(xié)同，用于her和oer的雙功能電解水催化電極，以降低制氫成本，提升制氫效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，而提出的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極及其制備方法與應(yīng)用，其制備得到的雙功能電解水催化電極具有優(yōu)異的her和oer電催化性能和穩(wěn)定性，且制備方法簡單、高效、成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極，包括金屬a、金屬b、金屬c和非金屬d負(fù)載在其骨架上的活性成分；

4、所述活性成分包括金屬a、金屬b、金屬c及非金屬d協(xié)同生長的混合物；

5、所述金屬a、金屬b和金屬c均為過渡金屬。

6、優(yōu)選地，所述金屬a、金屬b和金屬c獨(dú)自為鐵、鎳、鉬、銅、鉻中的至少一種，且選取不同的元素；所述非金屬d為磷、硫、碳中的任意一種。

7、優(yōu)選地，所述金屬a為鐵，所述金屬b為鎳，所述金屬c為鉬，所述非金屬d為磷；所述活性成分的形態(tài)為金屬層狀物，此處優(yōu)選的活性成分能夠進(jìn)一步協(xié)同改善材料的her和oer性能。

8、本發(fā)明另一目的在于提供一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極的制備方法，包括以下步驟：

9、步驟1、將木片進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)高溫煅燒，獲得碳化木片；

10、步驟2、通過水熱反應(yīng)，在碳化木片上生長金屬層狀物；

11、步驟3、在惰性氣體保護(hù)下對樣品進(jìn)行高溫氣相磷化，最終獲得負(fù)載磷化鐵鎳鉬的催化電極。

12、優(yōu)選地，在步驟1中，木片為櫸木或椴木；預(yù)處理包括酸洗和水洗；高溫煅燒在管式爐中進(jìn)行，初始煅燒溫度為400-600℃，初始煅燒時間為1-2h，隨后升溫至800-1100℃，煅燒時間為2-4h。

13、優(yōu)選地，在步驟2中，水熱反應(yīng)的溫度為120-180℃，時間為12-24h；

14、水熱反應(yīng)的混合溶液包括金屬a源、金屬b源和金屬c源，且金屬a源、金屬b源和金屬c源的摩爾比為(1-1.34)：(1-1.94)：(2-3.5)，然后利用二水合檸檬酸鈉調(diào)節(jié)ph值至7；

15、所述金屬a源為六水合氯化鐵和九水合硝酸鐵中的至少一種，金屬b源為六水合氯化鎳和六水合硝酸鎳中的至少一種，金屬c源為二水合鉬酸鈉和四水合鉬酸銨中的至少一種，非金屬d源為次磷酸鈉。

16、優(yōu)選地，在步驟3中，所述高溫氣相磷化在管式爐中進(jìn)行，控制升溫速率為2-5℃/min，反應(yīng)溫度為300-450℃，反應(yīng)時間為1-2h。

17、本發(fā)明還提供了一種采用上述的制備方法制得的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極作為her和oer的催化電極的應(yīng)用，具體為，將以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極作為her和oer的催化電極用于催化水溶液電解，具有較高的催化活性和穩(wěn)定性，有效降低制氫成本。

18、其中，水溶液為堿性水溶液，其溶質(zhì)為氫氧化鉀或氫氧化鈉中的任意一種，溶質(zhì)在堿性水溶液中的摩爾濃度為1-2m。

19、本發(fā)明還提供了一種上述的制備方法制得的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極作為工作電極進(jìn)行電化學(xué)測試的應(yīng)用，具體為，將以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極作為工作電極進(jìn)行電化學(xué)測試。

20、其中，電化學(xué)測試條件為：按常規(guī)三電極體系，以石墨棒為對電極，以hg/hgo為參比電極，在單電解池中測試以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極的her和oer活性。

21、一種制氫電極，采用上述的制備方法制得的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

23、1、本發(fā)明以三維多孔碳化木為基底，在基底上負(fù)載活性成分，其活性成分為磷化鐵鎳鉬。本發(fā)明所制備得到的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極，能夠給予材料良好的her和oer雙功能。

24、2、本發(fā)明制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，在三維多孔碳化木基底上生長催化電極，無需添加粘合劑，催化材料與導(dǎo)電基底結(jié)合緊密，為開發(fā)低成本、高活性的雙功能電解水催化電極提供了一種有效的思路。

技術(shù)特征：

1.一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極，其特征在于，包括金屬a、金屬b、金屬c和非金屬d負(fù)載在其骨架上的活性成分；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極，其特征在于，所述金屬a、金屬b和金屬c獨(dú)自為鐵、鎳、鉬、銅、鉻中的至少一種，且選取不同的元素；所述非金屬d為磷、硫、碳中的任意一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極，其特征在于，所述金屬a為鐵，所述金屬b為鎳，所述金屬c為鉬，所述非金屬d為磷；所述活性成分的形態(tài)為金屬層狀物。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極的制備方法，其特征在于，在步驟1中，木片為櫸木或椴木；預(yù)處理包括酸洗和水洗；高溫煅燒在管式爐中進(jìn)行，初始煅燒溫度為400-600℃，初始煅燒時間為1-2h，隨后升溫至800-1100℃，煅燒時間為2-4h。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極的制備方法，其特征在于，在步驟2中，水熱反應(yīng)的溫度為120-180℃，時間為12-24h；

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極的制備方法，其特征在于，在步驟3中，所述高溫氣相磷化在管式爐中進(jìn)行，控制升溫速率為2-5℃/min，反應(yīng)溫度為300-450℃，反應(yīng)時間為1-2h。

8.一種采用權(quán)利要求4-7任意一項(xiàng)所述的制備方法制得的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極作為her和oer的催化電極的應(yīng)用。

9.一種采用權(quán)利要求4-7任意一項(xiàng)所述的制備方法制得的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極作為工作電極進(jìn)行電化學(xué)測試的應(yīng)用。

10.一種制氫電極，其特征在于，采用權(quán)利要求4-7任意一項(xiàng)所述的制備方法制得的以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電解水催化電極技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種以碳化木為基底的雙功能電解水催化電極及其制備方法與應(yīng)用，包括：1)將木片清洗后置于管式爐在氬氣氣氛中高溫碳化，得到三維多孔碳化木；2)將鎳源、鐵源和鉬源分散于溶劑中，磁力攪拌后得混合溶液，加入二水合檸檬酸鈉調(diào)節(jié)溶液pH值至7；3)將碳化木和混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜，在160℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)；4)將所得樣品置于管式爐進(jìn)行氣相磷化，后用去離子水和無水乙醇反復(fù)洗滌，并真空干燥，得到三維多孔自支撐骨架的均勻牢固負(fù)載了磷化鎳鐵鉬的雙功能電解水催化電極，骨架和顆粒的結(jié)合使催化電極具有優(yōu)異的HER和OER電催化性能和穩(wěn)定性，且制備方法簡單、高效、成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：程廣貴,許邱雯,丁建寧,霍燃
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2