CN105688909B - 一种银/金属氧化物多孔材料、其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种银/金属氧化物多孔材料、其制备方法和应用,所述的方法特指在银基底表面于含一定前体盐的电解液中通过电化学手段沉积氧化物的方法,该方法具有简便、环保、易于实施等优点。该材料应用于氧还原反应时催化活性高。与现有技术相比,本发明所述在分级多孔银上电沉积金属氧化物的方法具有绿色环保、简便、易于实施、生产成本低;以及该材料应用于氧还原反应催化活性高等优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域,具体的说涉及一种银/金属氧化物多孔材料及其制备方法和应用。
背景技术
燃料电池是一种环境友好的能源技术因其具有能量密度高、无污染等优点,已成为国际上研究的热点。金属空气电池(镁-空气电池、锌-空气电池)燃料供应丰富、携带方便、氧电极可采用非贵金属氧还原催化剂;而碱性阴离子交换膜燃料电池,与质子交换膜燃料电池相比,不存在因燃料渗透而导致电极电位下降的问题,同时也可采用非Pt氧还原催化剂,从而受到了广泛关注。
近年来,由于银在碱性介质中具有较高活性和稳定性以及优异的抗甲醇渗透能力等优势,引起了研究人员的广泛关注。在碱性燃料电池领域已有商品Ag/C电催化剂,但其氧还原(ORR)过电位比Pt/C高100~150mV(J.Electrochem.Soc.152(2005)D117)。文献(Electrochem.Commun.31(2013)108)将Ag与Co3O4复合提高了其ORR活性;唐等人(Appl.Catal.B:Environ.104(2011)337)采用一步法制备的Ag/Mn3O4/C电催化剂将其与Pt/C过电位差距缩小到了31mV,说明银与一些锰、钴等氧化物复合能够提高其ORR活性。Linic等人(Nature Chem.6(2014)828)通过量子化学计算证明AgCo形成合金能提高ORR活性,并且制备了表面是合金的AgCo电催化剂,较银的ORR活性有较大提高,但其ORR活性与Pt/C催化剂相比仍有一定的差距。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题,发明了一种在银基底上沉积氧化物的方法。
为实现上述发明内容,本发明采用以下技术方案来实现:
一种银/金属氧化物多孔材料,所述多孔材料主体为多孔银,多孔银表面附着有金属氧化物;所述银/金属氧化物多孔材料具有一级孔和二级孔;所述一级孔的孔径为5-500nm,二级孔的孔径为1-5μm。
所述一级孔的孔径优选为20-200nm;二级孔的孔径优选为1.5-3μm。
所述金属氧化物为氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌中的一种或两种以上;金属氧化物于多孔材料中的质量含量为1%-99%。
所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)采用电化学方法对银片、银棒或块状烧结银粉进行氧化处理;
(2)对步骤(1)所得处理后的银片、银棒或块状烧结银粉进行还原制得具有一级孔和二级孔的分级多孔银;
(3)于步骤(2)所得分级多孔银表面电沉积金属氧化物。
步骤(3)所述金属氧化物为氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌中的一种或两种以上。
步骤(3)所述金属氧化物的电沉积沉积方法具体具体为以硝酸锰、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、醋酸锰、醋酸铁、醋酸钴、醋酸镍、醋酸铜、醋酸锌中的一种或两种以上为电解液,以铂、石墨棒、银、金等中的一种为对电极,以银/氯化银、汞/氧化汞或饱和甘汞中的一种为参比电极,在分级多孔银表面电沉积氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌中的一种或两种以上。
所述电沉积方法为循环伏安法、线性伏安法、脉冲伏安法、恒电位法、恒电流法中的一种或两种以上。
步骤(1)所述采用电化学方法对银片、银棒或块状烧结银粉进行氧化处理的过程中,以银片、银棒或块状烧结银粉中的一种为工作电极,以铂或石墨棒中的一种为对电极,银/氯化银、汞/氧化汞或饱和甘汞中的一种为参比电极,以含Cl-、Br-或I-中的一种或两种以上卤素离子的溶液为电解液。
步骤(1)所述电化学方法对银片、银棒或块状烧结银粉进行氧化处理的过程中,相对于可逆氢电极的电化学处理电位为0.5V~10V,优选为0.5V~5V;电化学处理时间为1s-100h,优选为60s-20h,最优为120s-8h。
所述电解液中卤素离子的浓度总和大于0.001mM。
步骤(2)所述还原方法为电化学还原、光照还原、电子束还原、辐射还原、激光还原中的一种或两种以上。
所述银/金属氧化物多孔材料可用作金属空气燃料电池氧还原催化剂、质子交换膜燃料电池氧还原催化剂或直接液体燃料电池氧还原催化剂。
与现有技术相比,本发明所述在分级多孔银上电沉积金属氧化物的方法具有绿色环保、简便、易于实施、生产成本低;以及该材料应用于氧还原反应催化活性高等优点。
附图说明:
图1为比较例1和实施例1制备样品的氧还原活性曲线。如图所示,沉积氧化锰后的样品较未沉积是的多晶银电极的氧化原催化活性有了很大程度的提高。
具体实施方式:
比较例1:银多晶电极(圆形,直径为5mm)(天津艾达恒晟科技发展有限公司)。
实施例1:配置含0.005M NaCl和0.1M NaOH的溶液并将其作为电解液,直径为5mm的银块状电极作为工作电极,铂片为对电极,汞/氧化汞电极为参比电极,在1.0V(相对于可逆氢电极)下电化学处理2h后再在0.1M NaOH电解液中在0.15V(相对于可逆氢电极)下进行电化学还原5min得到多孔银。配制含50mM硝酸锰的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到MnOX/Ag样品。
实施例2:配置含0.001mM NaCl的溶液并将其作为电解液,以银片作为工作电极,石墨棒为对电极,银/氯化银电极为参比电极,在1.5V(相对于可逆氢电极)下电化学处理100h后再在20万勒克斯的强光照下照射1h得到多孔银。配制含50mM硝酸铜的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到CuOX/Ag样品。
实施例3:配置含2M NaCl和0.1M HCl的溶液并将其作为电解液,以银棒作为工作电极,银片为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,在5.0V下电化学处理360s后再进行铜靶X射线照射1h得到多孔银。配制含50mM硝酸铁的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到FeOX/Ag样品。
实施例4:配置饱和NaCl的溶液并将其作为电解液,烧结银粉作为工作电极,金片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,在10.0V下电化学处理1s后再用电子枪束轰击20min得到多孔银。配制含50mM硝酸钴的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到CoOX/Ag样品。
实施例5:配置含0.1M HCl的溶液并将其作为电解液,Ag片作为工作电极,Pt片为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,在2.0V下电化学处理1h后再进行1W的激光照射1h得到多孔银。配制含50mM硝酸镍的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到NiOX/Ag样品。
实施例6:配置含0.001mM NaBr的溶液并将其作为电解液,以银片作为工作电极,石墨棒为对电极,银/氯化银电极为参比电极,在1.5V(相对于可逆氢电极)下电化学处理100h后再在50万勒克斯的强光照下照射5min得到多孔银。配制含50mM硝酸锌的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到ZnOX/Ag样品。
实施例7:配置含0.005M NaCl和0.1M NaOH的溶液并将其作为电解液,直径为5mm的银块状电极作为工作电极,铂片为对电极,汞/氧化汞电极为参比电极,在1.0V(相对于可逆氢电极)下电化学处理2h后再在0.1M NaOH电解液中在0.15V(相对于可逆氢电极)下进行电化学还原5min得到多孔银。配制含50mM醋酸锰的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到MnOX/Ag样品。
实施例8:配置含0.001mM NaCl的溶液并将其作为电解液,以银片作为工作电极,石墨棒为对电极,银/氯化银电极为参比电极,在1.5V(相对于可逆氢电极)下电化学处理100h后再在20万勒克斯的强光照下照射1h得到多孔银。配制含50mM醋酸铜的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到CuOX/Ag样品。
实施例9:配置含2M NaCl和0.1M HCl的溶液并将其作为电解液,以银棒作为工作电极,银片为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,在5.0V下电化学处理360s后再进行铜靶X射线照射1h得到多孔银。配制含50mM醋酸铁的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到FeOX/Ag样品。
实施例10:配置饱和NaCl的溶液并将其作为电解液,烧结银粉作为工作电极,金片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,在10.0V下电化学处理1s后再用电子枪束轰击20min得到多孔银。配制含50mM醋酸钴的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到CoOX/Ag样品。
实施例11:配置含0.1M HCl的溶液并将其作为电解液,Ag片作为工作电极,Pt片为对电极,饱和甘汞电极为参比电极,在2.0V下电化学处理1 h后再进行1W的激光照射1h得到多孔银。配制含50mM醋酸镍的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到NiOX/Ag样品。
实施例12:配置含0.001mM NaBr的溶液并将其作为电解液,以银片作为工作电极,石墨棒为对电极,银/氯化银电极为参比电极,在1.5V(相对于可逆氢电极)下电化学处理100h后再在50万勒克斯的强光照下照射5min得到多孔银。配制含50mM醋酸锌的溶液并将其作为电解液,多孔银作为工作电极,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,进行电化学沉积,得到ZnOX/Ag样品。
Claims (12)
1.一种银/金属氧化物多孔材料,其特征在于:所述多孔材料主体为多孔银,多孔银表面附着有金属氧化物;所述银/金属氧化物多孔材料具有一级孔和二级孔;所述一级孔的孔径为5-500 nm,二级孔的孔径为1-5 μm, 所述金属氧化物为氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌中的一种或两种以上,且金属氧化物通过电沉积负载到多孔银表面。
2.如权利要求1所述银/金属氧化物多孔材料,其特征在于:
所述分级多孔银由银纳米粒子聚集形成的一级孔银聚集体,一级孔银聚集体再次聚集相互连接而形成;所述一级孔银聚集体上具有一级孔,再次聚集的一级孔银聚集体之间具有二级孔;
所述一级孔的孔径为20-200 nm;二级孔的孔径为1.5-3 μm。
3.如权利要求1所述银/金属氧化物多孔材料,其特征在于:金属氧化物于多孔材料中的质量含量为1%-99%。
4.一种权利要求1-3任一所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤,
(1)采用电化学方法对银片、银棒或块状烧结银粉进行氧化处理;
(2)对步骤(1)所得处理后的银片、银棒或块状烧结银粉进行还原制得具有一级孔和二级孔的分级多孔银;
(3)于步骤(2)所得分级多孔银表面电沉积金属氧化物。
5.如权利要求4所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述金属氧化物为氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌中的一种或两种以上。
6.如权利要求4所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)所述金属氧化物的电沉积沉积方法具体为以硝酸锰、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、醋酸锰、醋酸铁、醋酸钴、醋酸镍、醋酸铜、醋酸锌中的一种或两种以上为电解液,以铂、石墨棒、银、金等中的一种为对电极,以银/氯化银、汞/氧化汞或饱和甘汞中的一种为参比电极,在分级多孔银表面电沉积氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌中的一种或两种以上。
7.如权利要求4所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:所述电沉积方法为循环伏安法、线性伏安法、脉冲伏安法、恒电位法、恒电流法中的一种或两种以上。
8.如权利要求4所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)所述采用电化学方法对银片、银棒或块状烧结银粉进行氧化处理的过程中,以银片、银棒或块状烧结银粉中的一种为工作电极,以铂或石墨棒中的一种为对电极,银/氯化银、汞/氧化汞或饱和甘汞中的一种为参比电极,以含Cl-、Br-或I-中的一种或两种以上卤素离子的溶液为电解液。
9.如权利要求4所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:
步骤(1)所述电化学方法对银片、银棒或块状烧结银粉进行氧化处理的过程中,相对于可逆氢电极的电化学处理电位为0.5 V~10 V;电化学处理时间为1 s-100 h。
10.如权利要求8所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:所述电解液中卤素离子的浓度总和大于0.001 mM。
11.如权利要求4所述银/金属氧化物多孔材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)所述还原方法为电化学还原、光照还原、电子束还原、辐射还原、激光还原中的一种或两种以上。
12.如权利要求1-3任一所述银/金属氧化物多孔材料的应用,其特征在于:所述多孔材料可用作金属空气燃料电池氧还原催化剂、质子交换膜燃料电池氧还原催化剂、或直接液体燃料电池氧还原催化剂。
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