一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电化学材料领域，具体涉及一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法，所述电催化剂为羟基氧化铁纳米颗粒直径为5‑30纳米，负载于镍铁层状双氢氧化物纳米片表面。本发明专利技术解决现有技术中原料价格高、操作复杂、步骤繁多、催化活性不高和能源转化效率不高等问题。通过先合成了多层次结构的花状层状双氢氧化物，然后在其纳米片上负载了超细FeOOH纳米颗粒，形成了具有高活性的电催化材料。

【技术实现步骤摘要】
一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法
本专利技术涉及电化学材料领域，具体涉及一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法。
技术介绍
随着全球能源需求的不断攀升，传统化石能源已经无法满足巨大的能源缺口，同时化石燃料带来的环境问题也给全球可持续发展带来严峻挑战。通过电化学水分解技术来获得氢气，是一种绿色清洁且非常具有前景的能源转化与储存技术。然而，电化学水分解过程中阳极半反应-氧析出反应(OER)是动力学迟滞过程，具有较大的析氧过电位，影响了能源转换的效率。目前，氧化铱(IrO2)和氧化钌(RuO2)等贵金属基电催化剂具有较高的电化学活性以加速该过程，显著降低析氧过电位，但是昂贵的价格以及较低的储量限制了其大规模的实际应用。因此，研究廉价的电催化剂来代替贵金属基催化剂是一项非常具有前景的策略。近年来的研究结果表明，纳米尺度下，基于Fe,Co及Ni这三种铁系过渡金属元素的氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、磷化物、硫化物及磷酸盐等在碱性条件下对OER表现出可与贵金属媲美的催化性能，尤其是Fe-Ni或Fe-Co层状双氢氧化物(LDH)是OER电催化性能优异的析氧电催化剂。已有研究表明，氧析出反应中过渡金属化合物常常被氧化为羟基氧化物MOOH(M＝Fe,Co,Ni),这些是真正的活性位点。但现有羟基氧化物析氧电催化剂活性低、稳定性差。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的是合成稳定存在的负载型羟基氧化物超细纳米颗粒将有望极大地增强其OER电催化性能，提高能源转化效率，为实现大规模电解水制氢提供重要材料支持。本专利技术的技术方案如下：一种负载型电解水析氧反应电催化剂，其为直径为5-30纳米的羟基氧化铁纳米颗粒，负载于镍铁层状双氢氧化物纳米片表面；且其中镍的元素百分比含量在5％-20％，铁的元素百分比含量5％-10％。所述镍铁层状双氢氧化物的层间阴离子为碳酸根和氟离子。本专利技术所述负载型电解水析氧反应电催化剂制备步骤如下：先将镍盐、铁盐，尿素和氟化铵溶解于去离子水中，将得到的溶液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥；将干燥后产物分散于去离子水中，再次加入氯化亚铁和尿素，将得到的混合液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥。所述镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍；所述铁盐为水合氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁本专利技术具有如下的优点与效果：本方法制备的电催化剂其特征在于，先合成了多层次结构的花状氢氧化物，然后在其纳米片上负载了超细FeOOH纳米颗粒，并且催化剂材料制备非常简单易行，适合大批量生产，与没有负载的催化剂相比较，能显著降低过电势,10mAcm-2的电流密度下过电位仅需210mV,塔菲尔斜率为47mVdec-1，具有非常高的电化学氧析出活性。同时，所制备的电催化剂在碱性电解液中具有优异的稳定性，在10mAcm-2的电流密度下稳定超过20个小时。优异的性能来源于LDH载体与FeOOH颗粒的协同效应。该催化剂在电化学水分解制氢工业中有重要意义，降低氧析出半反应所需过电位，大大提高能源转换效率。附图说明图1示本专利技术实施例1和比较例1制备的电催化剂在10mVs-1的扫描速率下在饱和的1MKOH溶液中记录线性扫描伏安法(LSV)获得极化曲线；图2示本专利技术实施例1电催化剂在50mAcm-2的恒电流密度下保持12小时稳定性测试曲线，其中所有电极电势数据都进行了80％的iR补偿；图3示专利技术实施例1和比较例1制备的电催化剂XRD衍射图谱；图4示专利技术实施例1制备的电催化剂扫描电镜(SEM)测试结果；图5示专利技术实施例1制备的电催化剂TEM测试结果；图6示专利技术实施例1制备的电催化剂TEM较高放大倍数下FeOOH团簇图；图7示本专利技术实施例1和比较例制备的电催化剂EDX测试比较图。本专利技术上下文所提及纳米团簇粒径通过透射电子显微镜观察，通过粒径分布统计，来获得平均颗粒直径。LDH表示层状双(金属)氢氧化物。具体实施方式以下所述是本专利技术实施例的优选实施方式，应当指出，在不脱离本专利技术实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本专利技术实施例的保护范围。实施例1制备负载型电解水氧析出反应电催化剂先将0.5mol镍源、0.11mol铁源，10mol尿素和5mol氟化铵溶解于去60ml离子水中，将得到的溶液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥；将干燥后产物分散于去离子水中，再次加入0.2mol四水合氯化亚铁和0.33mol尿素，将得到的混合液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥。实施例2制备负载型电解水氧析出反应电催化剂先将0.5mol镍源、0.11mol铁源，10mol尿素和5mol氟化铵溶解于去60ml离子水中，将得到的溶液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥；将干燥后产物分散于去离子水中，再次加入0.01mol四水合氯化亚铁和0.33mol尿素，将得到的混合液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥。比较例1(1)先将0.5毫摩尔六水合氯化镍、0.18毫摩尔四水合氯化亚铁、10毫摩尔尿素和5毫摩尔溶解于60毫升去离子水中，超声分散和搅拌10分钟；将得到的悬浮液转移到80毫升特氟龙内衬中，放入不锈钢高压釜内，在120℃下加热15小时，然后冷却至室温；将得到的产物用离心分离并用去离子水清洗，重复三次，随后在60℃干燥箱中干燥。(2)通过将5毫克催化剂和2毫克乙炔黑粉末分散在含有500微升去离子水，470微升乙醇和30微升5％萘酚的1毫升溶液中通过超声处理30分钟来制备催化剂墨水；然后将10微升催化剂浆滴在抛光且干净的玻碳电极上并在室温下干燥过夜；在10mVs-1的扫描速率下在饱和的1M氢氧化钾溶液中记录线性扫描伏安法(LSV)以获得极化曲线，结果参见图1，可知比较例2制备的催化剂在电流密度为10mAcm-2的过电位是267mV。所有电极电势数据都进行了80％的电压降补偿。(3)称取一定量步骤(1)中制备的催化剂测试XRD,包含镍铁LDH峰以及氢氧化镍峰，参见图3。(7)称取一定量步骤(1)中制备的催化剂测试EDX,参见图7。实施例8实施例1制备的负载型电解水氧析出反应电催化剂电性能测试通过将5毫克催化剂和2毫克乙炔黑粉末分散在含有500微升去离子水，470微升乙醇和30微升5％萘酚的混合溶液中来制备催化剂墨水；然后将10微升催化剂浆滴在抛光且干净的玻碳电极上并在室温下干燥过夜；在Hg/HgO电极作为参比电极和石墨电极作为对电极的三电极装置中评估电化学测量，使用玻碳电极作为工作电极；电势参考可逆氢电极(RHE)：ERHE＝EHg/HgO+0.098+0.059×pH(1MKOH溶液)。根据以下等式计算过电势(η)：η＝ERHE-1.23V。在10mVs-1的扫描速率下在饱和的1MKOH溶液中记录线性扫描伏安法(LSV)以获得极化曲线，参见图1。稳定性测试在10mAcm-2的恒电流密度下保持20小时，参见图2。所有电极电势数据都进行了80％的iR补偿。取一定量步骤(1)和(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负载型电解水氧析出反应电催化剂，其特征在于，羟基氧化铁纳米颗粒直径为5‑30纳米，负载于镍铁层状双氢氧化物纳米片表面。

【技术特征摘要】
1.一种负载型电解水氧析出反应电催化剂，其特征在于，羟基氧化铁纳米颗粒直径为5-30纳米，负载于镍铁层状双氢氧化物纳米片表面。2.根据权利要求1所述的一种负载型电解水氧析出反应催化剂，其特征在于，镍的元素百分比含量在5％-20％，铁的元素百分比含量5％-10％。3.根据权利要求1所述的一种负载型电解水氧析出反应催化剂，其特征在于，镍铁层状双氢氧化物的层间阴离子为碳酸根和氟离子。4.根据权利要求1所述的一种负载型电解水氧析出反应催化剂，其特征在于，超细羟基氧化铁纳米颗粒直径为5-30纳米。5.权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周尧，陈健德，李君涛，孙世刚，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35