本技术涉及一种新型核壳结构气凝胶催化剂及其制备方法和应用,属于气凝胶催化剂技术领域。该技术采用湿化学还原法制备过渡族金属核壳结构气凝胶纳米材料。
背景技术
19世纪末,全球气候变暖,随着工业时代的到来温室效应越加严重,包括化石燃料燃烧和树木砍伐等,由此引发出一系列威胁人类生存的问题。化石燃料的不可再生性进一步说明其具有极大的局限性,但是目前全球的能源消耗仍以化石燃料为主,到2019年,不可再生能源占总能源结构的84%。化石燃料产生的温室气体占全球温室气体排放的75%以上,占所有二氧化碳排放的近90%。
在这种背景下,寻找绿色、可再生和可持续的能源来替代传统的化石燃料成为人们的迫切愿望,氢气作为未来最有前途的能源载体之一,已经引起了人们的广泛关注。利用太阳能等可再生能源进行水电解被认为是产氢的最有前途的方法。然而,由于阳极析氧反应(OER)具有由4电子转移引发的缓慢动力学特性,因此大大限制了水电解的效率。传统上人们认为Ir和Ru的氧化物是OER最有效的活性催化剂。FeNi双金属基催化剂凭借Fe-Ni双金属协同作用被誉为具有广阔前景的催化剂之一,它们不仅能够突破贵金属高价格的限制,而且具有优秀的OER催化性能,许多学者就FeNi双金属基催化剂展开了一系列研究。
无定形结构是促进OER反应快速进行的重要一环,高缺陷密度能够产生大量的活性位点,但是由于晶格排列混乱无定形结构具有较低的导电率。另外,有研究表明,同时具有无定形结构和长程有序的晶体结构的催化剂在电解水领域中具有较强竞争力。气凝胶凭借独特纳米级的三维骨架结构和高孔隙率在催化领域脱颖而出,这是因为气凝胶结构上的优势能够提供更多的活性位点和快速的电子转移路径,以及较高的稳定性。
在气凝胶催化剂制备领域,目前采用的主要技术有水热法和溶胶凝胶法等,优先制备出水凝胶后通过一系列干燥手段如:环境干燥、冷冻干燥或者超临界干燥等技术获得气凝胶。采用水热法制备气凝胶,其制备工艺繁琐,往往需要合成前驱体,并且在得到凝胶之后还需要通过热处理或者水热的方式使得金属晶体生长在气凝胶上。而通过溶胶凝胶法的方式制备气凝胶,在制备过程中往往需要精确控制多个参数,最后由于添加了多个试剂,在清洗过程中需要长时间洗涤多次。以上两种制备气凝胶的方式工艺控制环节较多且成本较高,不利于工业规模化生产,并且溶胶凝胶法的生长环境较为苛刻在实际生产中推广较为困难。
目前,制备具有壳核结构的催化剂,常采用两相合成方式和牺牲模板法。两相合成方式主要是先制备出结晶核心,然后将无定形结构与结晶核心相结合,最后形成具有无定形结构外壳和结晶核心的两相结构。采用两相合成方式制备核壳结构纳米材料,很难合成具有紧密核壳结构的金属纳米颗粒,会导致晶体和非晶体界面的结合较为松散,增大了电荷转移的阻力,使催化剂的OER性能降低。采用二种牺牲模板法制备核壳结构纳米材料时,需要严格控制热解温度,并且由于H2
的加入,使得在大规模生产时存在安全隐患。
实现思路