技术摘要：
本发明公开了一种高效电解水的双功能催化剂及其制备方法与应用。该方法包括：将三维纳米结构模板在过电位条件下进行活化；将活化后的三维纳米结构模版浸泡在过渡金属盐溶液中进行离子吸附处理，取出，得到所述高效电解水的双功能催化剂。本发明提供的高效电解水的双功  全部
背景技术：
目前，氢气作为能量密度最高的能量载体在众多新能源原料中备受关注。氢能不 仅能量密度高，清洁零污染，而且来源广泛，在新能源发展领域具有广阔前景。目前，氢气的 一大来源是石油等化石燃料的裂解，其主要缺点包括原料稀缺有限，制备过程耗能严重，所 制得的氢气纯度低等。其中最大的缺点在于通过化石燃料裂解所得的氢气中仍然含有S，P 等杂质，需要经过后续复杂的工艺将其进一步脱硫，不仅额外增加了生产成本，而且脱硫不 彻底极易毒化氢能使用装置中的Pt等催化剂。制备氢气最为理想的方式是通过电解水制 氢。一方面，原料简单易得，可大规模应用，将太阳能风能等零散的能源转化为氢能进行贮 存，另一方面，所制备的氢气纯净，无需进一步脱硫，工艺简单。 电解水制氢主要分为两个半反应，正极发生氧析出反应（OER），负极发生氢析出反 应（HER）。目前用于高效电解水制氢的催化剂以贵金属及贵金属氧化物为主。对于OER反应， 主要使用的催化剂是IrO2和RuO2等，对于HER反应，主要使用的催化剂是Pt和Pt合金等。然 而，这一类贵金属基的催化剂原料稀缺，价格昂贵，且容易中毒，在实际应用中难以大规模 应用。近年来，许多研究者致力于开发不含贵金属元素的催化剂，其中过渡金属化合物具有 价格低廉且性能优异的优势被认为具有十分大的潜力与贵金属竞争，成为下一代HER或OER 的首选商用催化剂。 然而，目前多数的过渡金属化合物催化剂的制备过程相当复杂，且涉及高温煅烧 等工艺，耗能严重，难以大规模生产（Wu,  Y.;  Li,  F.;  Chen,  W.;  Xiang ,  Q.;  Ma ,  Y.;  Zhu,  H.;  Tao,  P.;  Song ,  C.;  Shang ,  W.;  Deng ,  T.;  Wu,  J.,  Coupling  Interface  Constructions  of  MoS2/Fe5Ni4S8  Heterostructures  for  Efficient  Electrochemical  Water  Splitting.  Adv  Mater  2018,30  (38) ,  e1803151.）。例如，An等人（An,  L.;  Feng,  J.;  Zhang ,  Y.;  Wang ,  R.;  Liu,  H.;  Wang ,  G.-C.;  Cheng ,  F.;  Xi,  P.,  Epitaxial  Heterogeneous  Interfaces  on  N-NiMoO4/NiS2  Nanowires/Nanosheets  to  Boost  Hydrogen  and  Oxygen  Production  for  Overall  Water  Splitting .  Advanced  Functional  Materials  2019,29  (1) ,  1805298.）通过利用溶剂热方法先合成了NiMoO4作 为前驱体，然后依次在NH3气氛和S气氛下高温煅烧对其进行氮掺杂和部分硫化，得到复合 电催化剂N-NiMoO4/NiS2，用于电解水分解。该方法涉及多步反应，制备过程相当复杂，并且 需要通过高温煅烧，耗能严重，制备成本高，难以实现大规模商业化生产。而且，部分过渡金 属化合物催化剂只对单一反应（HER或OER）有催化作用，这在实际使用中要求氢能设备两极 采用不同的电极催化剂，增加了氢能设备设计和制备的复杂性。因此，开发成本低廉，制备 简单，高性能，同时具有高OER催化活性和高HER催化活性的双功能催化剂尤为重要。 3 CN 111589459 A 说　明　书 2/6 页
技术实现要素：
为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高效电解水的双功能催 化剂及其制备方法与应用。 针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种制备 简单的用于高效电解水的双功能催化剂的制备方法。 本发明的另一目的在于提供上述双功能催化剂在电解水中的应用。 本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。 一种制备简单的用于高效电解水的双功能催化剂，采用三维纳米结构作为模板， 先在一定过电位下对三维纳米结构进行活化，再把活化后的三维纳米结构通过离子吸附的 策略对其进行过渡金属离子负载，制备高效的电解水催化剂。 本发明提供的一种高效电解水的双功能催化剂的制备方法，包括如下步骤： （1）在碳布基底上通过水热合成的方法制备三维纳米结构模板；将三维纳米结构模板 在过电位条件下进行活化处理，得到活化后的三维纳米结构模版； （2）将步骤（1）所述活化后的三维纳米结构模版浸泡在过渡金属盐溶液中进行离子吸 附处理，取出，得到所述高效电解水的双功能催化剂。 进一步地，步骤（1）所述三维纳米结构模板为二硫化钼纳米片或碳纳米管阵列。 优选地，步骤（1）所述三维纳米结构模板为生长在碳布上的二硫化钼纳米片。 进一步地，步骤（1）所述活化处理的电位为-0.4V~-0.6V  vs.RHE。 优选地，步骤（1）所述活化处理的电位为-0.5V  vs.RHE。 进一步地，步骤（1）所述活化处理的时间为100-500  s。 进一步地，步骤（2）所述过渡金属盐溶液为乙酸镍溶液及硫酸亚铁溶液中的一种 以上。即步骤（2）述过渡金属盐溶液为乙酸镍溶液、硫酸亚铁溶液或两者混合均匀的混合溶 液。 进一步地，步骤（2）所述过渡金属盐溶液的浓度为30-50  mM。 进一步地，步骤（2）所述离子吸附处理的时间为10  s-20  min。 本发明提供一种由上述的制备方法制得的高效电解水的双功能催化剂。 本发明所制备的双功能催化剂具有制备流程简单，制备过程节能，制备成本低，制 备方法普适性强，制备过程灵活可控，所得催化剂成分容易调节等优点，通过本发明优选条 件所制备的双功能催化剂具有高效的电解水分解性能。 本发明提供的高效电解水的双功能催化剂能够应用在电解水反应中。 与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果： （1）本发明提供的高效电解水的双功能催化剂原料价格低廉，无需高温烧结，生产过程 耗能较少，生产成本低； （2）本发明提供的高效电解水的双功能催化剂采用过渡金属离子吸附策略，制备过程 简单，适用于大规模生产； （3）本发明提供的高效电解水的双功能催化剂采用的三维纳米结构模板选择广泛，如 二硫化钼纳米片，碳纳米管阵列等，适用面广； （4）本发明提供的高效电解水的双功能催化剂采用金属离子吸附策略，不受离子种类 影响，可根据需求容易制备各种过渡金属化合物催化剂，具有普适性； 4 CN 111589459 A 说　明　书 3/6 页 （5）本发明提供的高效电解水的双功能催化剂采用金属离子吸附策略，可容易制备不 同过渡金属离子比例的复合催化剂，适用面广； （6）本发明提供的高效电解水的双功能催化剂具有高效的电解水分解性能，在氢析出 反应中，在10mA/cm2的电流密度下的过电位为139  mV，在氧析出反应中，在10mA/cm2的电流 密度下的过电位为239  mV。在两电极全解水反应中，在1.64V的电压下可达到10  mA/cm2的 电流密度，在1.72V的电压下可达到100  mA/cm2的电流密度。 附图说明 图1为实施例1中所得的用于高效电解水的双功能催化剂的Ni  2p轨道的X射线光 电子谱； 图2（a）为实施例1中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 线性扫描伏安曲线图； 图2（b）为实施例1中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 塔菲尔曲线图； 图2（c）为实施例1中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 交流阻抗图； 图3（a）为实施例1中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 循环伏安曲线图； 图3（b）为实施例1中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 塔菲尔曲线图； 图3（c）为实施例1中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 交流阻抗图； 图4为实施例2中所得的用于高效电解水的双功能催化剂的Fe  2p轨道的X射线光电子 谱； 图5（a）为实施例2中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 线性扫描伏安曲线图； 图5（b）为实施例2中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 塔菲尔曲线图； 图5（c）为实施例2中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 交流阻抗图； 图6（a）为实施例2中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 循环伏安曲线图； 图6（b）为实施例2中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 塔菲尔曲线图； 图6（c）为实施例2中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 交流阻抗图； 图7为实施例3中所得的用于高效电解水的双功能催化剂的Ni  2p轨道和Fe  2p轨道的X 射线光电子谱； 图8（a）为实施例3中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 5 CN 111589459 A 说　明　书 4/6 页 线性扫描伏安曲线图； 图8（b）为实施例3中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 塔菲尔曲线图； 图8（c）为实施例3中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氢析出反应催化测试的 交流阻抗图； 图9（a）为实施例3中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 循环伏安曲线图； 图9（b）为实施例3中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 塔菲尔曲线图； 图9（c）为实施例3中所得用于高效电解水的双功能催化剂用于氧析出反应催化测试的 交流阻抗图。