一种基于光场增强的电催化剂及其制备方法和应用

本发明属于电催化领域，具体涉及一种基于光场增强的电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电催化在可再生能源的转化和利用中具有广泛的应用前景。作为一种高效、环保的能源转化技术，电催化可以充分利用太阳能、风能等可再生能源，将其转化为人类所需的其他能源形式。其中，光催化水分解是一种备受关注的研究方向。通过光催化反应，可以将水分解成氢气和氧气，从而释放出大量的能量。在光催化反应中，催化剂是至关重要的因素之一。新型电催化材料，如金属氧化物、复合氧化物、碳化物等，具有优异的催化性能和稳定性，可以大大提高光催化水分解的效率。

2、此外，电催化还可以应用于其他可再生能源的转化和利用中，如电解制氢、燃料电池等。这些技术的不断发展，将有助于实现可再生能源的高效转化和利用，从而为人类的可持续发展做出重要贡献。

3、总之，电催化作为一种高效、环保的能源转化技术，在可再生能源的转化和利用中具有广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和研究的深入，相信电催化的应用将会越来越广泛，为人类社会的可持续发展注入更多活力。

4、公开号为cn115369436a的发明专利申请公开了一种电催化析氢电极及其制备方法，属于电催化析氢技术领域。所述析氢电极由导电基体以及电镀在导电基体表面的ni-se-co镀层组成。本发明首先将导电基体进行预处理；然后通过电沉积方式在预处理的导电基体上沉积ni、se、co元素，形成具有优异析氢性能的ni-se-co析氢电极。该发明专利申请合成方法简单且催化层结构稳定，但该方法制备的电极耗电量较大。

5、现阶段电催化的研究存在如下瓶颈：

6、1、电催化中析氧反应由于涉及四质子耦合的电子转移行为而动力学迟滞，需要较高的过电势，能量损耗大，是电解水的难题，2.现阶段对析氧反应电催化剂的研究主要集中在优化电子结构或增大催化活性位点的密度上，对电催化过程中的外场加入的应用较少，对催化性能的影响分析尚未深入，3.纯电催化需要电能较高，当下很难被直接广泛利用于生产氢能。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于光场增强的电催化剂的制备方法，该方法在较低的耗电量下进行电催化析氧反应。

2、本发明提供了一种基于光场增强的电催化剂的制备方法，包括：

3、对生物模板进行脱蛋白和氨基化预处理，在预处理后的生物模板表面纳米镀贵金属，所述生物模板包括抗反射光子晶体；

4、将纳米镀贵金属后的生物模板放入含有ni和fe的前驱盐溶液中进行水热反应得到基于光场增强的电催化剂。

5、优选地，所述生物模板为昆虫复眼或翅膀。

6、进一步优选地，所述生物模板为凤蝶科蝶翅。

7、本发明选用的凤蝶科蝶翅在抗反射光子晶体表面还分布类蜂窝状结构具有具有广谱和高光吸收特性，一定程度上抑制光子晶体的各向异性，而产生更高效率的光吸收。在预处理和水热反应过程中，能够保持三维结构的完整性。

8、进一步优选地，水热反应后凤蝶科蝶翅的窗口直径为50-450，在凤蝶科蝶翅上形成的nife电催化剂片层厚度为50-450。

9、nife前驱盐在凤蝶科蝶翅窗口的窗边和脊边处生长，使得凤蝶科蝶翅的窗口直径减少，本发明提供的合适的窗口直径和合适的nife电催化剂片层厚度，能够获得较强的光强的同时又能够形成足够的nife电催化剂，从而能够获得较高的电流密度，避免窗口尺寸过小导致少量的光通过，或者附着的nife电催化剂较少，电流密度较低。

10、优选地，预处理后的生物模板表面具有-nh2、-oh。

11、通过预处理后生物模板表面具有碱性的活性位点，使得nife电催化剂能够较为容易的生长在活性位点上。

12、优选地，所述水热温度90-180℃，水热反应的时间为8-36h，ni和fe的前驱盐溶液的浓度为(0.2-0.8mmol)。合适的水热温度，时间和浓度，能够形成合适尺寸的nife电催化剂片层，从而避免生物模板的窗口过小。

13、优选地，所述贵金属为金、银、铜或铝。通过纳米镀贵金属，能够同时实现光热反应和等离子共振效应，从而增加导电性，进行在较低电量下就能够实现析氢反应。

14、另一方面，本发明还提供了一种基于光场增强的电催化剂，所述基于光场增强的电催化剂通过所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法制备得到。

15、优选地，所述基于光场增强的电催化剂以生物模板作为碳基底三维架构，nife催化剂颗粒和25-30nm贵金属均匀分布在生物模板原位衍生的碳基底三维架构表面。

16、另一方面，本发明还提供了一种所述的基于光场增强的电催化剂在电催化中析氧反应中的应用，包括：

17、将固定在硅片的基于光场增强的电催化剂放入0.5m-2m的koh中，在光场作用下进行析氢反应。在标准三电极电池系统中，上述催化剂电极作为工作电极，pt电极和hg/hgo电极分别作为对电极和参比电极。

18、在所有外场中，光场增强是新兴的提高电催化性能的可能方式之一，因而需要寻找合适结构的催化剂，提升光吸收转换效率，光热或光等离激元作用下提升光助力电催化性能。本发明将催化剂三维架构化，利用对光敏感的生物作为模板，预处理后在模板上还原法镀金提升其导电性，进而用水热法生成过渡金属羟基氧化物的电催化剂。这种方法利用三维架构有利于光吸收转化的的优势，不仅应用于电催化，将来还有望让该系统在光催化、超级电容器等领域得到综合应用。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、本发明通过引入具有吸光作用的生物模板，在光场照射下，通过贵金属的光热和等离子共振效应，降低电催化中的过电势，增加导电性，在析氢反应过程中，促进光能和电能的协同作用，在降低的电量下就能够实现较好的反应速率和选择性。

技术特征：

1.一种基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，所述生物模板为昆虫复眼或翅膀。

3.根据权利要求1或2所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，所述生物模板为凤蝶科蝶翅。

4.根据权利要求3所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，水热反应后凤蝶科蝶翅的窗口直径为50-450nm，在凤蝶科蝶翅上形成的nife电催化剂片层厚度为50-450nm。

5.根据权利要求1所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，预处理后的生物模板表面具有-nh2、-oh。

6.根据权利要求1所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，所述水热反应的时间为8-36h，水热反应的温度为90-180℃。

7.根据权利要求1所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法，其特征在于，所述贵金属为金、银、铜或铝。

8.一种基于光场增强的电催化剂，其特征在于，所述基于光场增强的电催化剂通过根据权利要求1-7任一项所述的基于光场增强的电催化剂的制备方法制备得到。

9.根据权利要求8所述的基于光场增强的电催化剂，其特征在于，所述基于光场增强的电催化剂以生物模板作为碳基底三维架构，nif催化剂颗粒和贵金属均匀分布在生物模板原位衍生的碳基底三维架构表面。

10.一种根据权利要求8-9所述的基于光场增强的电催化剂在电催化中析氧反应中的应用，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于光场增强的电催化剂的制备方法，包括对生物模板进行脱蛋白和氨基化预处理，在预处理后的生物模板表面纳米镀贵金属，所述生物模板包括抗反射光子晶体；将纳米镀贵金属后的生物模板放入含有Ni和Fe的前驱盐溶液中进行水热反应得到基于光场增强的电催化剂。该方法在较低的耗电量下进行析氢。

技术研发人员：邓元,武玲玲,张珂,闫凯芬,徐惠彬
受保护的技术使用者：北京航空航天大学杭州创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22