CN111672514A - 一种双功能电催化材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双功能电催化材料及其制备方法与应用，其中，所述方法包括步骤：将硝酸镍和硝酸钴按照预定摩尔比混合，加入辅助反应物和水离子水后，制得混合溶液；将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热，在所述预处理导电基底表面生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。本发明采用一步水热法在导电基底原位生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。所述双功能电催化材料的表面活性为点多，电化学性能较佳，可应用于甲醇‑水共电解反应体系中，同时实现甲醇的增值转化与低能耗高效制氢，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电化学催化材料领域，特别涉及一种双功能电催化材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭和环境问题的日趋严峻，氢能等新能源的利用和高效能量转换装置的开发已成为目前研究的热点，可再生的氢能具有资源丰富、燃烧产物无污染等许多优势。近年来，电解水体系提供了绿色制氢的转化途径，水的电解可由阴极析氢和阳极析氧两个反应实现，但由于体系中较为迟滞的阳极析氧反应(Oxygen EvolutionReaction，简称为OER)，具有较高的动力学反应能垒，导致整个全解水反应体系能源利用率较低，因此被认为是阻碍传统电解水制氢工业化的主要难题。
在传统电解水体系中可能会因气体扩散而形成***性H2/O2气体混合物，使得传统全水解电解池存在安全隐患并缩短其使用寿命。与此同时，甲醇作为基础化学品，其在工业上可用于制备甲醛、甲酸、二甲醚、甲酸甲酯等重要的化学品，但传统工业需要高温精馏才能实现其增值转化。因而对甲醇在室温下进行电化学催化氧化，并实现其的增值转化已成为非常有意义的研究热点。因此，采用热力学上更为有利的甲醇氧化反应(MethanolOxidation Reaction,简称为MOR)取代反应缓慢、产物价值较低的传统电解水中的水氧化反应(OER)，可同时实现低能耗制氢和甲醇室温增值转化，该甲醇-水共电解体系极具研究前景和经济效益。除此之外，传统的电解水体系通常是由强碱性液体电解质或由质子交换膜(PEM)构成的强酸性电解质，与贵金属催化剂(例如，高HER活性的Pt，以及高OER活性的IrO2、RuO2或不锈钢等)组成。电解过程的核心是电化学反应所需的电催化剂，这直接影响到电解效率、电解能耗以及电解成本。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可电解水制氢和甲醇增值化学品，且电化学活性高、成本低廉的双功能电催化材料及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下：
一种双功能电催化材料的制备方法，其中，包括步骤：
将硝酸镍和硝酸钴按照预定摩尔比混合，加入辅助反应物和水离子水后，制得混合溶液；
将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热，在所述预处理导电基底表面生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述硝酸镍和所述硝酸钴的预定摩尔比为3:1-1:3。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述辅助反应物为尿素。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述辅助反应物为尿素和氟化铵。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述导电基底为泡沫镍、泡沫铜、碳纸、碳布、不锈钢片或钛片。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述预处理导电基底的制备包括步骤：
将初始导电基底分别在蒸馏水，丙酮，乙醇中进行超声处理，得到一次处理导电基底；
将所述一次处理导电基底浸泡在稀盐酸中并进行超声处理，得到所述预处理导电基底。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热的步骤中，加热温度为100-150℃。
所述双功能电催化材料的制备方法，其中，所述将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热的步骤中，加热时间为3-8h。
一种双功能电催化材料，其中，采用本发明一种双功能电催化材料的制备方法制得。
一种双功能电催化材料的应用，其中，将本发明所述的双功能电催化材料用于电解水制氢和甲醇增值化学品。
有益效果：本发明提供了一种双功能电催化材料的制备方法，采用一步水热法在导电基底原位生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。所述双功能电催化材料的表面活性为点多，电化学性能较佳，可应用于甲醇-水共电解反应体系中，同时实现甲醇的增值转化与低能耗高效制氢，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种双功能电催化材料的制备方法较佳实施例的流程图。
图2a为泡沫镍的扫描电镜图。
图2b为实施例1制得的Ni(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图2c为实施例2制得的Co(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图2d为实施例3制得的Ni0.33Co0.67(OH)2/NF-F电极材料的扫描电镜图。
图2e为实施例4制得的Ni0.5Co0.5(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图2f为实施例4制得的Ni0.33Co0.67(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图2g为实施例4制得的Ni0.25Co0.75(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图2h为实施例4制得的Ni0.67Co0.33(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图2i为实施例4制得的Ni0.75Co0.25(OH)2/NF电极材料的扫描电镜图。
图3为本发明中NiCo-LDH/NF在不同比例组分下的制备所得的电极材料的X射线衍射图。
图4a为本发明中不同电解液下不同电极材料的MOR线性极化曲线图。
图4b为本发明中不同电解液下不同电极材料的OER线性极化曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种双功能电催化材料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种双功能电催化材料的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：
S10、将硝酸镍和硝酸钴按照预定摩尔比混合，加入辅助反应物和水离子水后，制得混合溶液；
S20、将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热，在所述预处理导电基底表面生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。
具体来讲，层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides structure，简称为LDHs)也称为类水滑石化合物，它的基本结构是由带正电的金属离子层和层间阴离子组成的电荷平衡双层结构，因其特殊的结构和灵活可变的化学组成，具有独特的物理化学性能。针对LDHs粉末材料存在导电性较差的问题，本发明通过引入多孔泡沫镍(Ni foam，简称为NF)等材料作为导电基底，在导电基底上构筑LDHs纳米阵列来制备双功能电催化电极。作为一种典型的LDHs化合物，镍钴双金属氢氧化物/泡沫镍(NiCo-LDH/NF)纳米阵列结构比表面积大，多孔结构有利于传质过程和气体扩散，并且该材料具有成本低廉、电化学活性高等优势，基于此，本发明采用一步水热法在导电基底原位生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。所述双功能电催化材料的表面活性为点多，电化学性能较佳，可应用于甲醇-水共电解反应体系中，同时实现甲醇的增值转化与低能耗高效制氢，具有广阔的应用前景。本发明提供的一步水热制备方法操作简单、价格低廉，通过本发明制备得到的双功能电催化材料，避免了有机粘合剂的加入导致电阻大，粉末催化剂易脱落的缺点；所制得的双功能电催化材料呈现不同的三维形貌，有利于电解反应中的传质和电子传输，在共电解性能测试中表现出良好的电催化性能。
在一些实施方式中，所述硝酸镍和所述硝酸钴的预定摩尔比为3:1-1:3，本实施例通过改变组分的不同比例，实现对材料形貌的调节，可增加材料表面活性位点，进而提高制得的双功能电催化材料的电化学性能。
在一些实施方式中，所述辅助反应物为尿素。在另一些实施方式中，所述辅助反应物为尿素和氟化铵。
在一些实施方式中，所述导电基底为泡沫镍、泡沫铜、碳纸、碳布、不锈钢片或钛片，但不限于此。
在一些具体的实施方式中，将初始导电基底分别在蒸馏水，丙酮，乙醇中进行超声处理10分钟，除去表面沾染的杂质，得到一次处理导电基底；然后将所述一次处理导电基底浸泡在稀盐酸中并进行超声处理10分钟，去除表面的氧化层，最后用蒸馏水清洗若干次后风干备用，得到所述预处理导电基底；按比例称取硝酸镍和硝酸钴于烧杯中，并加入辅助反应物和去离子水，磁力搅拌至溶解为不同颜色的澄清溶液；所述将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热，加热温度为100-150℃，加热时间为3-8h；反应结束后待其自然冷却至室温，取出反应后的导电基底，超声2分钟，将其表面团聚的粉体冲洗干净，即制得所述双功能电催化材料。
在一些实施方式中，还提供一种双功能电催化材料，其采用本发明上述一种双功能电催化材料的制备方法制得。具体来讲，所述双功能电催化材料包括导电基底以及生长在所述导电基底表面的镍钴双金属氢氧化物。作为一种典型的LDHs化合物，在所述导电基底表面生长的所述镍钴双金属氢氧化物纳米阵列结构比表面积大，其多孔结构有利于传质过程和气体扩散，并且该材料具有成本低廉、电化学活性高等优势。本实施例提供的所述双功能电催化材料的表面活性为点多，电化学性能较佳，可应用于甲醇-水共电解反应体系中，同时实现甲醇的增值转化与低能耗高效制氢，具有广阔的应用前景。
在一些实施方式中，还提供一种双功能电催化材料的应用，将本发明所述的双功能电催化材料用于电解水制氢和甲醇增值化学品。本实施例提供的所述双功能电催化材料的表面活性为点多，电化学性能较佳，可应用于甲醇-水共电解反应体系中，同时实现甲醇的增值转化与低能耗高效制氢，具有广阔的应用前景。
下面通过具体实施例对本发明一种双功能电催化材料及其制备方法以及性能做进一步的解释说明：
实施例1
一种单金属氢氧化物电极材料的制备方法，其包括以下步骤：
将硝酸镍与沉淀剂尿素一同溶解于去离子水中，搅拌混合均匀，配制成溶液A1N，硝酸镍的终摩尔浓度均为0.085mol/L，尿素的终摩尔浓度为0.35mol/L；
向上述溶液A1N中加入商业泡沫镍，所述泡沫镍的扫描电镜图如图2a所示；然后在120℃条件下水热反应6h，经洗涤、自然风干后得到最终产物Ni(OH)2/NF。其样品的形貌和物相图分别如图2b和图3所示，从图中可以看出，经过前处理之后的泡沫镍表面光滑，而经过水热反应过后，负载上的氢氧化镍为纳米片状结构，表明制备的Ni(OH)2催化剂成功负载在泡沫镍上，并且Ni(OH)2/NF为片状结构。
实施例2
一种单金属氢氧化物电极材料的制备方法，其包括以下步骤：
将硝酸钴与沉淀剂尿素一同溶解于去离子水中，搅拌混合均匀，配制成溶液A7N，硝酸钴的终摩尔浓度均为0.085mol/L，尿素的终摩尔浓度为0.35mol/L；
向上述溶液A7N中加入商业泡沫镍，然后在120℃条件下水热反应6h，经洗涤、自然风干后得到最终产物Co(OH)2/NF。样品的形貌和物相图分别如图2c和图3所示，表明制备的Co(OH)2催化剂成功负载在泡沫镍上，并且Co(OH)2/NF为海胆状放射结构，暴露出较多的活性比表面积，有利于促进电解反应的进行。
实施例3
一种片状双金属氢氧化物Ni0.33Co0.67(OH)2/NF-F电极材料的制备方法，包括以下步骤：
将硝酸镍和硝酸钴，按Ni/Co＝0.5的比例与氟化铵和尿素一同溶解于去离子水中，搅拌混合均匀，配制成溶液A5F，硝酸镍和硝酸钴的总摩尔浓度均为0.085mol/L,氟化铵的终摩尔浓度为0.17mol/L，氟化铵的终摩尔浓度为0.35mol/L；
向上述溶液A5F中加入商业泡沫镍，然后在120℃条件下水热反应3h，经洗涤、自然风干后得到最终产物Ni0.33Co0.67(OH)2/NF-F。样品的形貌如图2d所示，表明制备的催化剂成功负载在泡沫镍上，并且Ni0.33Co0.67(OH)2/NF-F为片状结构。
实施例4
一种针状双金属氢氧化物NixCo1-x(OH)2/NF电极材料的制备方法，包括以下步骤：
将硝酸镍和硝酸钴，按不同比例与沉淀剂尿素一同溶解于去离子水中：
1)硝酸镍和硝酸钴的摩尔比为3:1，溶液记为A2N；
2)硝酸镍和硝酸钴的摩尔比为2:1，溶液记为A3N；
3)硝酸镍和硝酸钴的摩尔比为1:1，溶液记为A4N；
4)硝酸镍和硝酸钴的摩尔比为1:2，溶液记为A5N；
5)硝酸镍和硝酸钴的摩尔比为1:3，溶液记为A6N；
金属盐的总摩尔浓度均为0.085mol/L,尿素的终摩尔浓度为0.35mol/L,搅拌混合均匀，配制成溶液；
向上述溶液A2N,A3N,A4N,A5N和A6N中加入商业泡沫镍，然后在120℃条件下水热反应6h，经洗涤、自然风干后得到最终产物Ni0.75Co0.25(OH)2/NF；Ni0.67Co0.33(OH)2/NF；Ni0.5Co0.5(OH)2/NF；Ni0.33Co0.67(OH)2/NF和Ni0.25Co0.75(OH)2/NF，其对应样品的形貌如图2e-2I所示，其对应的物相图如图3所示，从图中可以看出，从图中可以看出，经过前处理之后的泡沫镍表面光滑，而经过水热反应过后，负载上的氢氧化镍为纳米片状结构，氢氧化钴为纳米海胆状结构，随着钴的组分增大，NixCo1-x(OH)2/NF的纳米针状结构尺寸越大，而随着镍组分的增大，纳米针结构逐渐发生团聚现象。由该图可以看出NiCo-LDH成功原位生长在泡沫镍上。这表明制备的催化剂成功原位生长在泡沫镍上，并且双金属氢氧化物NixCo1-x(OH)2/NF均为纳米针状结构，暴露出更多的活性比表面积，促进传质和电子传输过程，有利于电解反应的高效进行。
通过对比图2d(Ni0.33Co0.67(OH)2/NF-F的扫描电镜图)和图2f(Ni0.33Co0.67(OH)2/NF的扫描电镜图)可以发现，不同的反应时间呈现出不同的催化剂形貌，针状结构为水热反应了6小时以后的产物，而片状结构为水热反应了3小时以后的产物。说明用一步水热法在不同的温度和时间条件下制备不同形貌的电催化剂，除此之外，通过改变组分的比例关系，实现不同形貌和电化学性能的调控。
实施例5
对实施例1-实施例4制得的电极材料进行甲醇氧化反应(简称为MOR)和析氧反应(简称为OER)等电化学测试：
在室温条件下，采用传统三电极体系在CHI 760E电化学工作站上进行析氧性能测试，Hg/HgO电极和Pt片分别作为参比电极和对电极，电解液分别为：
1)1.0M氢氧化钾，测试OER性能；
2)1.0M氢氧化钾和0.5M甲醇，测试MOR性能，
对比该测试曲线如图4a-4b所示，该电极材料展现出了良好的OER和MOR催化性能。并且在1.0M的氢氧化钾中，电极材料表面发生了明显的氧化反应。而在电解液中加入0.5M的甲醇后，通过对比可以看出甲醇的氧化反应电位远远低于传统的析氧反应电位，电极材料表面优先发生MOR反应，并且反应速率明显加快，相应的氧化电流迅速增大。
通过上述实验结果可说明：本发明提供的这种简易的一步水热法制备双金属氢氧化物电极材料不仅成本低廉，而且材料电化学活性高，材料稳定性好。所述电极材料用于甲醇-水的共电解策略不仅可以降低输入电压，降低反应过电位，同时还可以构筑在阳极上实现基础化学品的增值，驱动阴极低能耗析氢的高效共电解体系，最大限度地提高能源投资的效益。
综上所述，本发明提供了一种双功能电催化材料的制备方法，采用一步水热法在导电基底原位生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。所述双功能电催化材料的表面活性为点多，电化学性能较佳，可应用于甲醇-水共电解反应体系中，同时实现甲醇的增值转化与低能耗高效制氢，具有广阔的应用前景。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将硝酸镍和硝酸钴按照预定摩尔比混合，加入辅助反应物和水离子水后，制得混合溶液；
将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热，在所述预处理导电基底表面生长镍钴双金属氢氧化物，制得所述双功能电催化材料。
2.根据权利要求1所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸镍和所述硝酸钴的预定摩尔比为3:1-1:3。
3.根据权利要求1所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述辅助反应物为尿素。
4.根据权利要求1所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述辅助反应物为尿素和氟化铵。
5.根据权利要求1所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述导电基底为泡沫镍、泡沫铜、碳纸、碳布、不锈钢片或钛片。
6.根据权利要求1所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述预处理导电基底的制备包括步骤：
将初始导电基底分别在蒸馏水，丙酮，乙醇中进行超声处理，得到一次处理导电基底；
将所述一次处理导电基底浸泡在稀盐酸中并进行超声处理，得到所述预处理导电基底。
7.根据权利要求1所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热的步骤中，加热温度为100-150℃。
8.根据权利要求7所述双功能电催化材料的制备方法，其特征在于，所述将预处理导电基底和所述混合溶液加入装有聚四氟乙烯的反应釜中并进行加热的步骤中，加热时间为3-8h。
9.一种双功能电催化材料，其特征在于，采用权利要求1-8任意一种双功能电催化材料的制备方法制得。
10.一种双功能电催化材料的应用，其特征在于，将权利要求9所述的双功能电催化材料用于电解水制氢和甲醇增值化学品。
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|---|---|
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112266056A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-26 | 青岛科技大学 | 一种固态电极及其制备方法和应用 |
| CN113337846A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-03 | 上海交通大学 | 一种负载型表面部分硫化的层状金属氢氧化物电催化剂及其制备方法与应用 |
| CN113529405A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 陕西科技大学 | 一种在碳布表面生长花椰菜状Co(OH)2-Ni的制备方法 |
| CN113666427A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-19 | 中国地质大学（武汉） | 植酸修饰的过渡金属层状双氢氧化物及其制备方法和应用 |
| CN114032572A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-11 | 中国科学技术大学 | 一种高活性麦穗状复合金属材料及其制备方法和应用 |
| CN114057206A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-02-18 | 重庆大学 | 一种采用层状镍钴双金属氢氧化物/硅藻土复合材料吸收电磁波的方法 |
| CN114645291A (zh) * | 2020-12-02 | 2022-06-21 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种提升海水电化学析氢电极寿命的方法 |
| CN114959771A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-08-30 | 南京信息工程大学 | 一种镍基电催化剂及产氢协同降解甲醛废水电解池 |
| CN114990622A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-09-02 | 蚌埠学院 | 一种海胆状铁掺杂氢氧化镍析氧催化剂的制备方法 |
| CN116356368A (zh) * | 2023-06-01 | 2023-06-30 | 中石油深圳新能源研究院有限公司 | 非晶体纳米催化剂的制备方法和制备装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105070515A (zh) * | 2015-08-19 | 2015-11-18 | 华东理工大学 | 一种制备泡沫镍复合材料的方法和由此获得的泡沫镍复合材料及其应用 |
| WO2017091955A1 (en) * | 2015-11-30 | 2017-06-08 | South University Of Science And Technology Of China | Bifunctional electrocatalyst for water splitting and preparation method thereof |
| CN108283926A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-07-17 | 青岛大学 | 一种原位生长在泡沫镍上具有片状结构的镍铁双金属氢氧化物制备方法 |
| CN110106517A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-09 | 江苏大学 | 硫化钴/层状双金属氢氧化物复合电催化剂及其制备方法 |
-
2020
- 2020-06-17 CN CN202010554643.6A patent/CN111672514A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105070515A (zh) * | 2015-08-19 | 2015-11-18 | 华东理工大学 | 一种制备泡沫镍复合材料的方法和由此获得的泡沫镍复合材料及其应用 |
| WO2017091955A1 (en) * | 2015-11-30 | 2017-06-08 | South University Of Science And Technology Of China | Bifunctional electrocatalyst for water splitting and preparation method thereof |
| CN108283926A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-07-17 | 青岛大学 | 一种原位生长在泡沫镍上具有片状结构的镍铁双金属氢氧化物制备方法 |
| CN110106517A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-08-09 | 江苏大学 | 硫化钴/层状双金属氢氧化物复合电催化剂及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| CHUNXIAN XING,ET AL: "Synthesis, characterization, and properties of nickel-cobalt layered double hydroxide nanostructures", 《RSC ADVANCES》 * |
| HENGLI ZHU,ET AL: "3D nickel-cobalt diselenide nanonetwork for highly efficient oxygen evolution", 《SCIENCE BULLETIN》 * |
| MEI LI,ET AL: "Value- Added Formate Production from Selective Methanol Oxidation as Anodic Reaction to Enhance Electrochemical Hydrogen Cogeneration", 《CHEMSUSCHEM》 * |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112266056A (zh) * | 2020-10-26 | 2021-01-26 | 青岛科技大学 | 一种固态电极及其制备方法和应用 |
| CN112266056B (zh) * | 2020-10-26 | 2023-09-08 | 青岛科技大学 | 一种固态电极及其制备方法和应用 |
| CN114645291B (zh) * | 2020-12-02 | 2024-03-26 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种提升海水电化学析氢电极寿命的方法 |
| CN114645291A (zh) * | 2020-12-02 | 2022-06-21 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种提升海水电化学析氢电极寿命的方法 |
| CN113337846A (zh) * | 2021-05-28 | 2021-09-03 | 上海交通大学 | 一种负载型表面部分硫化的层状金属氢氧化物电催化剂及其制备方法与应用 |
| CN113529405A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 陕西科技大学 | 一种在碳布表面生长花椰菜状Co(OH)2-Ni的制备方法 |
| CN113666427B (zh) * | 2021-09-01 | 2022-05-24 | 中国地质大学（武汉） | 植酸修饰的过渡金属层状双氢氧化物及其制备方法和应用 |
| CN113666427A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-19 | 中国地质大学（武汉） | 植酸修饰的过渡金属层状双氢氧化物及其制备方法和应用 |
| CN114032572B (zh) * | 2021-11-22 | 2022-12-30 | 中国科学技术大学 | 一种高活性麦穗状复合金属材料及其制备方法和应用 |
| CN114032572A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-02-11 | 中国科学技术大学 | 一种高活性麦穗状复合金属材料及其制备方法和应用 |
| CN114057206A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-02-18 | 重庆大学 | 一种采用层状镍钴双金属氢氧化物/硅藻土复合材料吸收电磁波的方法 |
| CN114959771A (zh) * | 2022-04-19 | 2022-08-30 | 南京信息工程大学 | 一种镍基电催化剂及产氢协同降解甲醛废水电解池 |
| CN114959771B (zh) * | 2022-04-19 | 2023-10-20 | 南京信息工程大学 | 一种镍基电催化剂及产氢协同降解甲醛废水电解池 |
| CN114990622A (zh) * | 2022-06-02 | 2022-09-02 | 蚌埠学院 | 一种海胆状铁掺杂氢氧化镍析氧催化剂的制备方法 |
| CN116356368A (zh) * | 2023-06-01 | 2023-06-30 | 中石油深圳新能源研究院有限公司 | 非晶体纳米催化剂的制备方法和制备装置 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200918 |