一种静电纺丝法制备高性能的明胶电催化剂

1.本发明属于新能源电子材料技术领域，涉及一种静电纺丝法制备高性能的明胶电催化剂。


背景技术：

2.世界经济的飞速发展以及人类的需求不断增加，促使人们寻求更加绿色环保可重复使用的清洁能源。尤其是目前国家倡导碳达峰和碳中和，为了积极响应国家的号召，大量的科研人员不断的努力研究开发。目前，电解水是目前制备清洁可再生能源中最具潜力的途径，电解水过程由两个半反应组成：阴极的析氢反应（her）和阳极的析氧反应（oer）,由于水氧化是电催化裂解水的关键过程，其固有的慢动力学特性使其成为催化裂解水的关键过程，因此进一步开发高效的催化剂来降低催化反应能垒，最终达到提高能量转化效率，降低制氢成本的目的。目前析氧反应中最有效的是贵金属催化剂，此外其替代产品过渡金属的氧化物/氢氧化物也展现出较高的电催化活性，但是为了进一步的降低成本，同时实现大规模的生产制备，碳基无金属材料被考虑用于电催化析氧过程中。其中，lin等利用一种新的原位聚合方法，将pppi材料设计成碳布上的纳米级薄膜，提高了其催化活性，制备得到的pppi电极在电流密度为32.8 ma cm-2
时过电位为510 mv，并且具有很高的耐久性。但是这种方法所制备的电极材料的电催化性能还有较大的提升空间（lin y-x, feng w-j, zhang j-j, et al. a polyimide nanolayer as a metal-free and durable organic electrode toward highly efficient oxygen evolution[j]. angewandte chemie international edition, 2018, 57(38): 12563-12566.）。hu等植酸掺杂的聚吡咯，形成了一种多孔、导电的水凝胶，对oer表现出良好的活性，在10 ma cm-2
时的过电位为340 mv，tafel斜率为54.9 mv dec-1
，并且具有长达20 h的长期稳定性，超过了大多数无金属电催化剂。但是该实验制备得到的材料在较高的电流密度下有较高的过电位，也可以进一步的进行改进（hu q, li g, liu x, et al. superhydrophilic phytic-acid-doped conductive hydrogels as metal-free and binder-free electrocatalysts for efficient water oxidation[j]. angewandte chemie international edition, 2019, 58(13): 4318-4322.）。hu等制备了一种二维n,s共掺杂石墨薄片，该薄片具有由立体孔洞组成的独特层次结构，基于其独特的结构、大的表面积、丰富的活性位点和良好的电子/电解质运输性能，被证明是一种高效的三功能orr/oer/her催化剂，具有优异的电催化活性和稳定性。但是实验制备过程比较复杂，有待改进（hu c, dai l. multifunctional carbon-based metal-free electrocatalysts for simultaneous oxygen reduction, oxygen evolution, and hydrogen evolution[j]. advanced materials, 2017, 29(9): 1604942.）。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术的不足，本发明采用一种静电纺丝法制备高性能的明胶电催化剂。
[0004]
根据本发明，一种静电纺丝法制备高性能的明胶电催化剂，包括步骤如下：（1）称量1~3 g明胶放于盛有7~9 ml去离子水的小烧杯中，在50 ℃恒温水浴锅中搅拌0.5 h至完全溶解；（2）开启静电纺丝设备，设置温度为30~40 ℃；施加电压为17~20 kv；流速为0.5~1 mm/min以及尖端到集电极的距离为12 cm，静电纺丝设备喷出的样品直接喷覆在已经处理过的碳布上；（3）将步骤（2）得到的产物置于坩埚中，采用管式炉进行碳化处理，条件为：氩气氛围，碳化温度为250~500℃，保温1～3 h，升温速率为5 ℃/min。
[0005]
根据本发明，优选的，步骤（1）中明胶质量为1.5 g。
[0006]
根据本发明，优选的，步骤（1）中去离子水用量为8.5 ml。
[0007]
根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的设备温度为40 ℃。
[0008]
根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的施加电压为18 kv。
[0009]
根据本发明，优选的，步骤（2）中所述的流速为0.7 mm/min。
[0010]
根据本发明，优选的，步骤（3）中所述的碳化温度为300℃。
[0011]
根据本发明，优选的，步骤（3）中所述的保温时间为3 h。
[0012]
本发明的技术优势如下：(1) 本发明制备过程简单，并且易操作，耗时短。
[0013]
(2) 本发明制备得到的明胶纤维电化学性能优异、结构稳定，在电流密度为10 ma cm-2
时过电位仅为376.5 mv，优于已报道的碳基无金属电催化剂。
附图说明
[0014]
图1为本发明实施例1制得的明胶纤维电催化剂的扫描电镜图。
[0015]
图2为本发明实施例1制得的明胶纤维电催化剂的线性循环伏安曲线图。
具体实施方式
[0016]
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不限于此。
[0017]
同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0018]
实施例1：称量1.5 g明胶放于盛有8.5 ml去离子水的小烧杯中，在50℃恒温水浴锅中搅拌0.5 h至完全溶解；开启静电纺丝设备，设置温度为40℃；施加电压为18 kv；流速为0.7 mm/min以及尖端到集电极的距离为12 cm，静电纺丝设备喷出的样品直接喷覆在已经处理过的碳布上。将得到的产物置于坩埚中，采用管式炉进行碳化处理，条件为：氩气氛围，碳化温度为300℃，保温3 h，升温速率为5℃/min。
[0019]
采用三电极体系，在1 mol/l的koh电解液中,扫速为2 mv s-1
条件下进行线性循环伏安测试。
[0020]
本实施例制得的明胶纤维电催化剂的扫描电镜图如图1所示，由图1可知测试后的明胶纤维比较均匀。
[0021]
本实施例制得的明胶纤维电催化剂的线性循环伏安曲线如图2所示，由图2可知，
在电流密度为10 ma cm-2
时过电位仅为376.5 mv，说明该实施例中催化剂性能优良。
[0022]
实施例2：称量1 g明胶放于盛有9 ml去离子水的小烧杯中，在50℃恒温水浴锅中搅拌0.5 h至完全溶解；开启静电纺丝设备，设置温度为40℃；施加电压为18 kv；流速为0.7 mm/min以及尖端到集电极的距离为12 cm，静电纺丝设备喷出的样品直接喷覆在已经处理过的碳布上。将得到的产物置于坩埚中，采用管式炉进行碳化处理，条件为：氩气氛围，碳化温度为300℃，保温3 h，升温速率为5℃/min。
[0023]
采用三电极体系，在1 mol/l的koh电解液中,扫速为2 mv s-1
条件下进行线性循环伏安测试。
[0024]
实施例3：称量1.5 g明胶放于盛有8.5 ml去离子水的小烧杯中，在50℃恒温水浴锅中搅拌0.5 h至完全溶解；开启静电纺丝设备，设置温度为35℃；施加电压为19 kv；流速为1 mm/min以及尖端到集电极的距离为12 cm，静电纺丝设备喷出的样品直接喷覆在已经处理过的碳布上。将得到的产物置于坩埚中，采用管式炉进行碳化处理，条件为：氩气氛围，碳化温度为400℃，保温1 h，升温速率为5℃/min。
[0025]
采用三电极体系，在1 mol/l的koh电解液中,扫速为2 mv s-1
条件下进行线性循环伏安测试。
[0026]
实施例4：称量1.5 g明胶放于盛有8.5 ml去离子水的小烧杯中，在50℃恒温水浴锅中搅拌0.5 h至完全溶解；开启静电纺丝设备，设置温度为30℃；施加电压为19 kv；流速为0.5 mm/min以及尖端到集电极的距离为12 cm，静电纺丝设备喷出的样品直接喷覆在已经处理过的碳布上。将得到的产物置于坩埚中，采用管式炉进行碳化处理，条件为：氩气氛围，碳化温度为250℃，保温3 h，升温速率为5℃/min。
[0027]
采用三电极体系，在1 mol/l的koh电解液中,扫速为2 mv s-1
条件下进行线性循环伏安测试。
[0028]
实施例5：称量1.5 g明胶放于盛有8.5 ml去离子水的小烧杯中，在50℃恒温水浴锅中搅拌0.5 h至完全溶解；开启静电纺丝设备，设置温度为40℃；施加电压为18 kv；流速为0.7 mm/min以及尖端到集电极的距离为12 cm，静电纺丝设备喷出的样品直接喷覆在已经处理过的碳布上。将得到的产物置于坩埚中，采用管式炉进行碳化处理，条件为：氩气氛围，碳化温度为400℃，保温2.5 h，升温速率为5℃/min。
[0029]
采用三电极体系，在1 mol/l的koh电解液中,扫速为2 mv s-1
条件下进行线性循环伏安测试。