本技术公开了一种以碳源为原料的C‑TiO<subgt;2</subgt;复合材料及其制备方法和应用,制备方法,包括:将碳源和TiO<subgt;2</subgt;粉末分散于极性溶剂中,得到悬浊液A;在搅拌条件下将悬浊液A进行加热处理,将极性溶剂挥发后,得到混合物B;将混合物B煅烧,得到C‑TiO<subgt;2</subgt;复合材料;碳源包括第一碳源和/或第二碳源,第一碳源是单质碳,第二碳源是可裂解生成碳的有机物。本发明以回收或廉价碳源为原料制备C‑TiO<subgt;2</subgt;复合材料,可有效减轻新能源退役动力锂电池带来的环境污染,同时为廉价碳源的高价值利用提供可行方案,将C‑TiO<subgt;2</subgt;复合材料应用在电催化水分解领域,制备得到高效、稳定的析氧催化电极,可实现面向工业化需求的安培级电流密度应用。
背景技术
二氧化钛具有良好的化学稳定性和电化学抗性,因此被广泛用于各类能源转换与存储材料中。但是二氧化钛的禁带宽度高达3.2eV,电导率低,导致界面接触阻抗增加,阻碍二氧化钛在电化学器件中的应用。为提高二氧化钛材料的电导率,二氧化钛与高导电的碳材料复合是其中一种研究方向。比如发明专利CN201810191246X公开了一种GO-TiO2
纳米棒复合纳米颗粒及其制备方法,其中GO颗粒(氧化还原石墨烯)采用氧化还原法制备,TiO2
纳米棒通过电化学和化学浴沉积法生长在片状GO表面;发明专利CN2022108599970公开了含氧缺陷的纳米碳层包覆二氧化钛电极及其制备方法和镁电池,纳米碳层通过盐酸多巴胺和三(羟甲基)氨基甲烷的混合溶液浸润纳米棒后经煅烧碳化而成,然而盐酸多巴胺、氧化还原石墨烯等碳源价格高,二氧化钛和碳材料形成的复合材料的生产成本高,阻碍了相关工艺的低成本规模化应用。
基于此,采用廉价碳源对二氧化钛材料改性,将能带来巨大的经济效益和社会效益。
此外,二氧化钛具有可调的能带结构和优异的光捕获能力,二氧化钛材料作为一种前景良好的光催化剂,在光催化水分解制氢方面展现出重要应用潜力。然而光催化制氢受限于不稳定的环境因素,难以持续稳定进行,基于电力的电催化水分解制氢被认为是极具前景的绿氢生产方式。但二氧化钛材料呈现电催化惰性,适用于光催化制氢的二氧化钛却难以在电催化水分解中应用。将二氧化钛作为载体负载催化剂是目前将二氧化钛用于电解水制氢中的研究思路之一。比如发明专利CN2021105760082公开了一种负载型RuOx
/F-TiO2
析氧催化剂,用于电催化水分解中动力学缓慢的析氧半反应,其中TiO2
作为高效载体使用。发明专利CN2021112724521公开一种负载型铱催化剂,金属铱负载在二氧化钛载体上,用于催化电解水过程中的阳极析氧反应。
由此可见在现有技术中,二氧化钛一般作为催化活性物质的载体使用,以降低贵金属催化剂的使用量,降低催化剂生产成本。尽管如此,上述方案所得催化剂均为粉末型催化剂,其与导电基底间结合力弱。在工业化安培级的电催化水分解中,气泡的大量逸出会持续冲击电极的催化剂-导电基底界面,使得催化剂脱落,从而造成电极活性衰减。纵观目前已有的二氧化钛粉末型复合材料,均不能实现高效稳定的安培级电催化水分解应用,这极大地限制了二氧化钛材料在电化学绿氢生产中的规模化推广。
综上所述,如果能以廉价碳源制备二氧化钛改性材料,同时开发新的应用方法使得二氧化钛改性材料能够直接用于电催化水分解制氢工艺中,将能降低电解水制氢工艺的生产成本。
实现思路