本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种低过电位阳极的制备方法及其在电催化水裂解析氧中的应用。
背景技术：
1、随着全球对可再生能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，开发高效、可持续的能源转换技术变得尤为迫切。电解水制氢作为一种清洁、高效的氢气生产方式，正逐渐成为研究的热点。然而，电解水过程中的析氧反应(oer)由于其复杂的四电子转移过程，往往成为关键的动力学限制步骤，其效率直接影响到整体水分解的性能。传统上，oer电催化剂多依赖于贵金属如铱、钌等，但这些材料不仅成本高昂，且资源稀缺，限制了其大规模应用。因此，开发高效、稳定且成本低廉的非贵金属电催化剂成为了当前研究的迫切需求。
2、近年来，多金属氧化物因其可调的电子结构、丰富的催化活性位点以及良好的稳定性，在oer催化领域展现出巨大潜力。研究人员通过调整金属组成、优化材料结构等手段，不断提升多金属氧化物的催化性能。然而，如何在保证催化活性的同时，实现催化剂成本的进一步降低，仍是当前研究的重要方向。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低过电位阳极的制备方法及其在电催化水裂解析氧中的应用。本发明制得的阳极以负载有钼金属的泡沫镍为载体，再通过元素之间的置换反应，将铀和/或钍和铁元素置换沉积于载体上，最后通过煅烧加强沉积元素和载体之间的相互作用并使其中的金属元素形成相应的氧化物。将其作为阳极应用于电催化裂解碱水或者碱性海水析氧，具有降低的过电位和较强的稳定性。
2、本发明的具体技术方案为：
3、首先，本发明提供了一种低过电位阳极的制备方法，包括以下步骤：
4、1)对泡沫镍进行酸洗预处理，再负载上钼金属，得到泡沫镍钼。
5、2)将泡沫镍钼浸入含铀和/或钍金属盐、铁盐的浸泡液中进行置换反应，取出干燥。
6、3)对步骤2)所得产物有氧煅烧，得到低过电位阳极。
7、本发明上述方法制得的阳极以泡沫镍钼为载体，并通过元素之间的置换反应，将铀和/或钍和铁元素置换沉积于载体上，最后通过煅烧的方式，加强沉积元素和载体之间的相互作用并使其中的金属元素形成相应的氧化物。
8、本发明发现，将上述材料作为阳极应用于电催化裂解碱水或者碱性海水析氧，具有降低的过电位和较强的稳定性。分析其原因在于：上述特定四种金属元素之间的相互作用能促进d带电子向低能级移动，使得金属3d轨道与氧的2p轨道之间的重叠程度增加，促进了二者之间的轨道杂化。这种轨道杂化效应的增强不仅加强了电子在金属与氧之间的转移能力，还显著弱化了原本牢固的金属-氧键，使得阳极材料中的晶格氧与金属之间的共价联系被弱化，变得更加活泼，从而提高了阳极在电催化反应中的催化效率。另外，通过铀和/或钍的少量核辐射作用，能将水分子预活化，处于易解离状态，进一步降低析氢所需活化能。
9、此外，本发明还发现，铀和/或钍、铁的比例以及煅烧条件对于阳极的性能具有至关重要的影响。具体地：
10、本发明优选铀和/或钍、铁的摩尔比为1:10-15。不同的铀和/或钍、铁比例对电极材料的性能具有较大影响。以铀为例，铀元素的存在预活化水分子，促进其解离。而铁元素的加入，使得金属之间的相互作用增强，从而显著的提升了电催化性能。过多的铁元素加入会掩盖了反应的活性位点，影响水分子的吸附，从而使得性能被抑制。
11、本发明优选煅烧温度为100-200℃，时间为0.5-1.5h。不同的煅烧温度显著影响着电极材料的电催化性能。煅烧温度较低时，材料上的金属氧化不完全，无法形成牢固的金属氧化物；本发明发现煅烧温度超过200℃后，过高的温度使得载体受到破坏，无法维持基本结构，致使性能降低。
12、进一步地，步骤1)中，泡沫镍负载钼元素的方法包括浸泡置换法，电镀法或者高温还原法，进一步优选为浸泡置换法。其中镍和钼的质量比为3-8:1。
13、进一步地，步骤1)中，所述泡沫镍的厚度为1-2mm，孔径为80-150ppi，面积范围为0.0001-10m2。更优选地，所述泡沫镍的面积范围为0.02-0.1m2；
14、进一步地，步骤1)中，所述酸洗具体包括：将泡沫镍放入0.5-1.5mol·l-1的稀盐酸溶液中超声清洗20-40min，取出后再浸入无水乙醇中超声清洗20-40min，干燥。
15、进一步地，步骤2)中，所述铀和/或钍金属盐为硝酸铀酰六水合物或硝酸钍水合物；所述铁盐为硫酸铁，硝酸铁和氯化铁中的一种或多种。
16、进一步地，步骤2)中，所述浸泡液中铁的含量为0.05-0.2mol·l-1；所述泡沫镍的面积和浸泡液用量之比为0.8-5cm-2/ml。
17、进一步地，步骤2)中，所述置换反应的时间为10-60min，进一步优选为30-50min。
18、其次，本发明提供了上述制备方法得到的低过电位阳极在电催化裂解碱水或碱性海水析氧中的应用。
19、本发明所制备的阳极在电催化水裂解析氧的反应中展现出优异的性能。多元金属的存在极大地促进了催化剂自身的动态重构能力，显著加速了高价态镍离子(ni3+/ni4+)的形成过程。在碱水的电解液中，达到100ma·cm-2的电流密度，所需最少过电位为204mv，显著降低了所需能耗。另外，在复杂的碱性海水电解液中同样有优异的催化表现。达到100ma·cm-2的电流密度，所需的最少过电位为234mv。在碱水和碱性海水中具有较好的稳定性，在连续一周的电催化析氧测试下，其电流密度只减少10％左右。
20、进一步地，所述碱水或碱性海水电解液体系中的碱性介质为氢氧化钠或氢氧化钾。
21、进一步地，所述氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为10-50wt％。
22、与现有技术对比，本发明的有益效果是：
23、(1)本发明制得的阳极以泡沫镍为载体，先将钼元素负载其上，并通过元素之间的置换反应，将铀和/或钍和铁元素置换沉积于载体上，最后通过煅烧加强沉积元素和载体之间的相互作用并使其中的金属元素形成相应的氧化物。将其作为阳极应用于电催化裂解碱水或者碱性海水析氧，具有降低的过电位和较强的稳定性。
24、(2)本发明通过优选铀和/或钍、铁的比例以及煅烧条件，进一步提升了阳极的电催化性能。
25、(3)本发明提供了一种创新的核废料的利用与处理方法。将核反应之后的核乏燃料回收制成电催化阳极能最大限度地挖掘并转化这些废料中蕴含的潜在能量价值，实现资源的循环再利用。
1.一种低过电位阳极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述负载有钼金属的泡沫镍包括通过浸泡置换法、电镀法或高温还原法制得；镍和钼的质量比为3-8:1。
3.根据权利要求1或2或所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述泡沫镍的厚度为1-2mm，孔径为80-150ppi，面积范围为0.0001-10m2。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述酸洗具体包括：将泡沫镍放入0.5-1.5mol·l-1的稀盐酸溶液中超声清洗20-40min，取出后再浸入无水乙醇中超声清洗20-40min，干燥。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，
6.根据权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述置换反应的时间为10-60min。
8.根据权利要求1-7任一项所述制备方法得到的低过电位阳极在电催化裂解碱水或碱性海水析氧中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述碱水或碱性海水中的碱性介质为氢氧化钠或氢氧化钾。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为1-50wt％。
