一种用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极及其制备方法和应用

本发明属于电催化材料，特别涉及一种用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、传统化石能源的持续消耗与环境问题的日益严峻，使其难以满足巨大的能源需求。电解水被认为是一种有前景的技术路径，用以缓解因化石燃料过度使用所引发的能源与环境危机。然而，水分解效率受限于阳极析氧反应（oer），该过程涉及多电子转移及多种反应中间体，需较高的过电位来克服其缓慢的动力学过程。

2、与碱性电解槽相比，质子交换膜（pem）电解槽具有更紧凑的系统设计、更低的欧姆损耗、更高的电流密度和气体纯度、更大范围内部负载以及更快响应速度等优势。为了与功能强大的质子交换膜相兼容，研究者一直致力于开发具有高催化活性和稳定性的高效酸性催化剂，从根本上改善基于pem电解池中oer多电子动力学缓慢的问题。目前，已有多种性能优异的非贵金属基催化剂应用于碱性溶液中的工业级别oer过程。然而，在含有全氟磺酸膜等pem材料的局部强酸环境（ph为0~3）中，实现稳定运行依然是一个挑战，且对实际工业应用至关重要。目前用于pem方面的oer催化剂仍主要依赖于铱基或钌基材料等贵金属氧化物。由于这些贵金属催化剂成本昂贵且资源稀缺，它们极大地阻碍了规模化采用pem电解槽技术。因此，亟需开发价格合理、同时具备高活性和优异稳定性特点的酸性催化剂，以推动pem技术的广泛应用。

3、最近，尖晶石型co3o4作为oer电催化剂引起了广泛的关注，因其具有相对较低的成本、较高的催化活性以及在碱性溶液中良好的腐蚀稳定性。由于co3o4在常温下不溶于非氧化性酸，因此也存在着将其用于酸中进行oer催化的可能性。然而，在酸性条件下，非贵金属氧化物催化剂通常表现出较差的催化活性（大多数过电位>360mv，在电流密度为10ma/cm2时）。此外，在酸性条件下，这些非贵金属氧化物催化剂往往会发生活性位的溶解，从而限制了它们的稳定性。因此，合理设计高效稳定的钴基氧化物催化剂变得十分必要。另一方面，在酸性条件下有效控制材料电极界面自重构效应，并确保优化过程中不牺牲材料稳定性以保证催化活动是具有一定难度的。钴基催化剂作为替代贵金属析氧反应在酸环境中使用候选材料之一，主要挑战仍然是与贵金属相比存在一定差距导致水电解能耗增加。

4、因此，寻找高效、稳定且易于制备的钴基催化剂对奠定非贵金属基oer电催化剂在工业酸性水电解领域实际应用上具有长远意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有钴基电极在酸性条件下催化活性及稳定性较差，能耗较高，而使用贵金属基电极导致成本高昂的问题，提出一种用于酸性电解水析氧反应的新型锶掺杂钴氧化物基电极及其制备方法和应用。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供一种用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极，所述电极包括基底，所述基底上负载有锶掺杂钴氧化物；所述基底为导电亲水碳布；所述锶掺杂钴氧化物中，co、o、sr元素化学计量比为3:4:0.12，用式co3o4sr0.12表示。

4、上述技术方案中，进一步地，所述锶掺杂钴氧化物为多晶面的晶体结构；材料微观结构中钴元素具有多种配位方式。

5、上述技术方案中，进一步地，在ph=0的酸性介质中，所述电极达到10ma/cm2催化电流密度所需的过电势范围为300~350mv。

6、上述技术方案中，进一步地，所述电极在50ma/cm2电流密度条件下稳定运行时间超过400小时，过电势上升速率范围在0.3~0.4 mv/h。

7、本发明第二方面提供一种上述的用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极的制备方法，包括以下步骤：

8、（1）将锶基硝酸盐溶解于钴基硝酸盐溶液，加入乙醇进行混合，得到前驱液；

9、（2）将步骤（1）得到的前驱液均匀滴在导电亲水碳布上，在180~260℃下加热2~4小时，冷却后，将得到的产物清洗，随后进行干燥，得到所述的锶掺杂钴氧化物基电极。

10、上述技术方案中，进一步地，步骤（1）中，所述前驱液中，锶元素和钴元素的摩尔比为1:（10~25）。

11、上述技术方案中，进一步地，步骤（1）中，所述锶基硝酸盐为五水硝酸锶或硝酸锶；所述钴基硝酸盐为六水硝酸钴或硝酸钴。

12、上述技术方案中，进一步地，步骤（1）中，所述混合为超声溶解后再机械震荡。

13、上述技术方案中，进一步地，步骤（2）中，所述导电亲水碳布的制备方法为：将商业导电碳布浸泡在丙酮中超声15~30分钟后，分别用去离子水、无水乙醇冲洗三次，烘干处理；将清洗烘干后的碳布置于浓度为40%的硝酸中，在超声条件下氧化处理30~40分钟。

14、本发明第三方面提供一种上述的锶掺杂钴氧化物基电极在酸性电解水析氧反应中的应用。

15、本发明的有益效果为：

16、1、本发明提供的电极由基底及负载于其上的锶掺杂钴氧化物电催化剂构成。该电极在酸性环境下应用于析氧反应能显著降低过电势（相对于不掺杂锶的co3o4催化剂），10ma/cm2的电流密度下过电位仅需341mv，塔菲尔斜率为65.53mv dec-1。同时，所制备的电极在酸性条件下表现出优异稳定性，在50 ma/cm2的电流密度下可持续稳定超过400个小时。其优异性能归因于锶原子的引入改变了材料中co活性位点的电子局域环境，同时锶原子具有更高的电子密度，提升了整体导电特性。此外，在析氧过程中界面自重构发生并形成更多表面缺陷，从而增强了材料活性。这一新发现为设计在酸性条件下使用的非贵金属电催化剂提供了理论指导，并使得该非贵金属水分解析氧催化剂的发现具有重要实际意义。

17、2、本发明以廉价易得的锶基硝酸盐及钴基硝酸盐为原材料，通过高温处理一步方法合成了具有多活性位点且稳定性高的酸性非贵金属锶掺杂钴氧化物基电极，该制备方法简单易行，适合大批量生产。

1.一种用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极，其特征在于，所述电极包括基底，所述基底上负载有锶掺杂钴氧化物；所述基底为导电亲水碳布；所述锶掺杂钴氧化物中，co、o、sr元素化学计量比为3:4:0.12，用式co3o4sr0.12表示。

2.根据权利要求1所述的用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极，其特征在于，所述锶掺杂钴氧化物为多晶面的晶体结构。

3.根据权利要求1所述的用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极，其特征在于，在ph=0的酸性介质中，所述电极达到10ma/cm2催化电流密度所需的过电势范围为300~350mv。

4. 根据权利要求1所述的用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极，其特征在于：所述电极在50ma/cm2电流密度条件下稳定运行时间超过400小时，过电势上升速率范围在0.3~0.4 mv/h。

5.一种权利要求1-4任一项所述的用于酸性电解水析氧反应的锶掺杂钴氧化物基电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述前驱液中，锶元素和钴元素的摩尔比为1:（10~25）。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述锶基硝酸盐为五水硝酸锶或硝酸锶；

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述混合为超声溶解后再机械震荡。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述导电亲水碳布的制备方法为：将商业导电碳布浸泡在丙酮中超声15~30分钟后，分别用去离子水、无水乙醇冲洗三次，烘干处理；将清洗烘干后的碳布置于浓度为40%的硝酸中，在超声条件下氧化处理30~40分钟。

10.一种权利要求1-4任一项所述的锶掺杂钴氧化物基电极或权利要求5-9任一项所述的制备方法制得的锶掺杂钴氧化物基电极在酸性电解水析氧反应中的应用。