新材料及其应用

本发明公开了一种基于双模板法衍生的高效双金属OER催化剂及其制备方法，该方法包括以下步骤：(1)PS纳米球的合成；(2)多孔NC/GO模板材料的合成；(3)多孔NC/GO负载FexNiy‑MOF阵列模板材料的合成；(4)催化剂的合成。本发明通过PS纳米球为模板原料，在三聚氰胺中添加GO，一定温度煅烧形成GO掺杂的g‑C3N4(即NCG)，再以多孔NCG为模板，在其表面原位生长FexNiy‑MOF阵列，高温煅烧一定时间后得到铁镍双金属OER催化剂。通过本发明公开的制备方法，可以降低催化剂原材料成本，提高催化剂传质性能，加快析氧反应(OER)的动力学，降低析氧反应超电势，提高催化剂的稳定性。

随着全球能源需求的快速增长，化石燃料的不断消耗，世界面临着严重的能源危机。因此，寻找和开发可持续再生、绿色清洁、能量转化率高的新能源及相应的技术日益成为全球关注的焦点。

电解水、燃料电池以及金属‑空气电池等洁能源转换技术的开发利用被认为是解决当前一系列能源环境问题的有效途径之一。这一类清洁能源转换技术是利用可逆的电化学氧化和还原反应，将间歇性可持续能量转化为可储存化学能实现能量的转化和储存的有效途径之一。其中，析氧反应(OER)被认为是一系列能源转换或储存技术的基础，但OER反应过程复杂，四电子转移过程动力学缓慢过电位较高，严重阻碍了这些清洁能源转换技术的广泛使用，因此，开发高效稳定的OER催化剂具有重要的意义。迄今为止，二氧化铱(IrO2)和二氧化钌(RuO2)是综合性能最好的OER催化剂，遗憾的是这些贵金属基催化剂的有限储量、高成本等缺陷严重影响了其商业化应用，因此，迫切需要寻找和开发高性能低成本的OER催化剂。

过渡金属元素与贵金属具有相似的非饱和d轨道，对含氧物种具有较强的电子亲和力，有利于OER反应的进行，一些过渡金属基催化剂(如Fe、Co、Ni基催化剂)甚至表现出可与贵金属催化剂相媲美的OER催化活性。此外，过渡金属元素还具有地壳储量丰富、价格低廉、稳定性高等优点，被认为是最有潜力替代贵金属催化剂的材料之一。

非贵金属催化剂制备方法多样，其中模板法因具有较强的普适性和操作简单等优势被认为是制备高效非贵金属催化剂的有效方法之一，但采用该方法制备的材料面临的主要问题在于化学稳定性较差，比表面低，传质性能欠佳，以及OER反应过电位较高。因此，开发一种具有较高比表面积，较强传质性能，成本低廉且操作简单的高效、高稳定性OER催化剂仍然是一个巨大的挑战。

本发明具有以下优点：

1、通过本发明制得的基于双模板法衍生的高效双金属OER催化剂首先以PS纳米球、三聚氰胺和GO为模板原料制得GO掺杂的g‑C3N4，即多孔NC/GO材料，GO的掺杂有利于催化剂石墨化程度的提高，从而提高催化剂的电子传导效率和催化活性；高温煅烧该模板材料， PS纳米球球在高温条件下分解形成PS球形空位，增大了催化剂的比表面积和电化学活性面积，有利于提高催化剂的传质性能；

2、以NCG为模板，在其表面原位生长FexNiy‑MOF阵列，高温煅烧一定时间后制得本发明所述的催化剂即FexNiy@NCG‑T‑h，FexNiy‑MOF阵列具有中空结构，经高温煅烧后仍然保持其原有的阵列形貌，不仅有利于提高催化剂的传质性能，同时也增强氧气的吸附与传导；

3、Fe、Ni金属纳米颗粒均匀分散于NCG中，被NCG紧紧包覆，有利于提高碳基体的电子传导性能，从而提高催化剂的催化活性和稳定性；

4、通过本发明制得的基于双模板法衍生的高效双金属OER催化剂，在O2饱和的1M KOH 溶液中，其OER性能为：EJ＝10＝***，η＝221mV；EJ＝100＝***，η＝389mV，阻抗为***Ω，经IR校正以后其OER性能为：EJ＝10＝***，η＝217mV，EJ＝100＝***，η＝355mV；

与RuO2(EJ＝10＝***，η＝235mV；EJ＝100＝***，η＝408mV，阻抗为***Ω，经IR校正以后其 OER性能为EJ＝10＝***，η＝232mV，EJ＝100＝***，η＝374mV)相比，具有更好的OER 催化活性。