一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术涉及一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法及其产品和应用，该方法使用电化学方法在碳布上原位生长聚吡咯纳米线/针阵列，热处理制得以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列，然后原位负载铁镍氢氧化物；该方法简单，成本低，并且制得的多级碳基纳米针/线阵列比表面积大，形貌可控，析氧催化性能好，可广泛运用于能源存储和转换领域。

An in-situ preparation method of multilevel carbon based iron nickel hydroxide and its products and Applications

The present invention relates to an in situ preparation method of a multistage carbon based iron nickel hydroxide, and its product and application. The method uses an electrochemical method to grow polypyrrole nanowires / needle arrays on the carbon cloth in situ, and heat treatment to produce a multistage carbon based needle like nanowire / needle array based on the carbon cloth, and then in situ load iron nickel hydroxide. The method is simple, the cost is low, and the multi-stage carbon based nanowires / wire array has large surface area, controllable morphology, good oxygen evolution performance, and can be widely used in energy storage and conversion fields.

【技术实现步骤摘要】
一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法及其产品和应用
本专利技术属于自支撑催化材料领域，涉及一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法；还涉及由该方法制得的产品和应用。
技术介绍
为了提高催化材料的导电性并增加负载位点，多采用让微纳尺寸碳材料(如碳纳米管、石墨烯、碳微球等)与催化剂混合后，再与大尺度基底材料粘连结合的一些非原位生长方法，如Park先将氧化石墨烯装载到三聚氰胺泡沫框架上、高温碳化，再负载催化剂；还有一些运用化学气相沉积的原位生长方法，如Ekspong将氮掺杂碳纳米管通过催化化学气相沉淀法直接生长在碳纤维纸上用于催化剂负载。非原位粘合存在着粘合牢固性的问题，而气相沉积则需要昂贵的设备。因此，急需一种设备及操作简单，可实现大规模制备稳定、高导电性、高负载量的催化材料的方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法；本专利技术的目的之二在于提供由所述多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法制得的多级碳基铁镍氢氧化物；本专利技术的目的之三在于提供所述多级碳基铁镍氢氧化物在制备析氧反应催化剂中的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：1、一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法，包括如下步骤：(1)以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列的制备将亲水碳布作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片为对电极构成三电极体系，放于电沉积电解液中，控制电压0.25V～1.0Vvs.SCE(饱和甘汞电极)，沉积时间5min～60min，用水冲洗干净，干燥，即制得长有聚吡咯纳米线阵列的碳布，再将长有聚吡咯纳米线阵列的碳布在H2\Ar气氛下，管式炉中400℃～800℃，热处理1～3小时，得到以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列；所述电沉积电解液为吡咯的磷酸盐缓冲溶液；(2)多级碳基纳米线/针上生长铁镍氢氧化物以步骤(1)制得以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列底物，通过水热法制备多级碳基铁镍氢氧化物。优选的，所述亲水碳布由以下方法制备：将碳布依次用丙酮、酒精超声清洗，再用水冲洗浸泡得亲水碳布。优选的，所述电沉积电解液中，所述吡咯体积分数为7μl/ml。优选的，所述磷酸缓冲液由如下方法制得：按每200ml水加入6.5g磷酸氢二钠和5.8g磷酸二氢钠。优选的，所述水热法为将碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列浸入铁镍前体溶液中在120℃条件下处理12～18h；所述铁镍前体溶液为含Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)2·6H2O的水溶液。更优选的，所铁镍前体溶液中Fe(NO3)3·9H2O浓度为2～20mM，Ni(NO3)2·6H2O浓度为2～20mM。2、由所述多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法制得的多级碳基铁镍氢氧化物。3、所述多级碳基铁镍氢氧化物在制备析氧反应催化剂中的应用。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用电化学方法，在常温下，在碳布上原位生长聚吡咯针状碳纳米线阵列，设备及操作简单，可实现大规模制备，并且碳纳米线形貌可控；纳米针/纳米线长度根据不同的电压和时间在几百纳米到3微米间，直径在100nm左右，且导电性好，结构稳定。(2)电化学方法制得多级碳纳米阵列后，再用水热方法在其上面生长铁镍氢氧化物，实现析氧催化剂铁镍氢氧化物与多级碳纳米针基底的原位结合，这种先在碳布上生长聚吡咯纳米针，再在其上生长铁镍氢氧化物的析氧反应催化剂目前尚未报道。(3)铁镍氢氧化物合成方法简单，成本低，所用化学药品少，一步水热即可。该方法得到的析氧反应催化剂有非常好的性能，10mA/cm2时的过电位可低至269mV、塔菲尔斜率79mV/dec。(4)在碳布基底上生长碳纳米线/针阵列，可以极大的提高基底的表面积，为催化剂提供更多的负载位点。(5)两步合成都是原位生长，避免粘接剂的使用，电接触非常好，电子传输阻碍小。(6)该催化剂设计思路可广泛运用于其他能源存储和转换领域，电沉积聚吡咯纳米线/针阵列也可以用碳布以外的导电基底，并用其负载其他催化剂、或用于超级电容，燃料电池，等。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为实施例1的方法制得的多级碳基针状纳米线阵列。图2为实施例3的方法制得的多级碳基针状纳米线阵列。图3为多级碳基纳米线/针上生长铁镍氢氧化物。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。实施例1一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法，包括如下步骤：(1)多级碳基针状纳米线/针阵列的制备：a.将切好的碳布放于丙酮中，超声处理15min，再放于酒精中超声15min，除去商业碳布表面杂质，用去离子水冲洗干净；直到碳布变得超亲水，得到亲水碳布；b.将6.5g磷酸氢二钠(Na2HPO4)和5.8g磷酸二氢钠(NaH2PO4)溶于200mL去离子水中，配得磷酸盐缓冲溶液；c.将步骤b制得的磷酸盐缓冲溶液中加入1.4mL吡咯，再将溶液进行超声处理，使吡咯充分分散于溶液中，制得电沉积电解液；d.用步骤a所得的亲水碳布作为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，铂片为对电极，此三电极体系放于步骤c制得的电解液中，采用恒电压0.45Vvs.SCE，电沉积50min；然后用去离子水冲洗干净，干燥，即制得长有聚吡咯纳米线阵列的碳布；此步，可以通过控制电沉积的电压和沉积时间来控制纳米线阵列的形貌；e.将步骤d制得的长有聚吡咯纳米线阵列的碳布，放于瓷舟中，在H2\Ar气氛下，管式炉中800℃，热处理3小时，即得到以碳布为基底的电沉积原位生长多级碳基针状纳米线/针阵列，记为CA@CC；(2)多级碳基纳米线/针上生长铁镍氢氧化物以步骤(1)制得CA@CC作为底物，通过水热法制备铁镍氢氧化物/CA@CC，具体方法如下：将0.5mmolFe(NO3)3·9H2O和0.5mmolNi(NO3)2·6H2O溶解在50mL去离子水中，制得铁镍前体溶液，然后将得到的铁镍前体溶液转移到聚四氟乙烯衬里的高压釜中，用耐高温线将CA@CC悬挂，并浸入铁镍前体溶液中，并在120℃下进行水热处理12小时，得到的产品经过洗涤、干燥后得到多级碳基铁镍氢氧化物，记为Fe-Ni氢氧化物/CA@CC。实施例2一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法，包括如下步骤：(1)碳布上聚吡咯纳米线的制备：a.将切好的碳布放于丙酮中，超声处理15min，再放于酒精中超声15min，除去商业碳布表面杂质，用去离子水冲洗干净；直到碳布变得超亲水，得到亲水碳布；b.将6.5g磷酸氢二钠(Na2HPO4)和5.8g磷酸二氢钠(NaH2PO4)溶于200mL去离子水中，配得磷酸盐缓冲溶液；c.将步骤b中的磷酸盐缓冲溶液中加入1.4mL吡咯，再将溶液进行超声处理，使吡咯充分分散于溶液中，制得电沉积电解液；d.用步骤a处理的亲水碳布作为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，铂片为对电极，此三电极体系放于步骤c制得的电沉积电解液中；采用恒电压0.35Vvs.SCE，电沉积30min，后用去离子水冲洗干净，干燥，即制得长有聚吡咯纳米线阵列的碳布。此步，可以通过控制电沉积的电压和沉积时间来控制纳米线阵列的形貌。e.将步骤d制得的长有聚吡咯纳米线阵列的碳布，放于瓷舟中，在H2\Ar气氛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列的制备将亲水碳布作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片为对电极构成三电极体系，放于电沉积电解液中，控制电压0.25V～1.0V vs.SCE，沉积时间为5min～60min，用水冲洗干净，干燥，即制得长有聚吡咯纳米线阵列的碳布，再将长有聚吡咯纳米线阵列的碳布在H2\Ar气氛下，管式炉中400℃～800℃，热处理1～3小时，得到以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列；所述电沉积电解液为吡咯的磷酸盐缓冲溶液；(2)多级碳基纳米线/针上生长铁镍氢氧化物以步骤(1)制得以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列底物，通过水热法制备多级碳基铁镍氢氧化物。

【技术特征摘要】
1.一种多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列的制备将亲水碳布作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片为对电极构成三电极体系，放于电沉积电解液中，控制电压0.25V～1.0Vvs.SCE，沉积时间为5min～60min，用水冲洗干净，干燥，即制得长有聚吡咯纳米线阵列的碳布，再将长有聚吡咯纳米线阵列的碳布在H2\Ar气氛下，管式炉中400℃～800℃，热处理1～3小时，得到以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列；所述电沉积电解液为吡咯的磷酸盐缓冲溶液；(2)多级碳基纳米线/针上生长铁镍氢氧化物以步骤(1)制得以碳布为基底的多级碳基针状纳米线/针阵列底物，通过水热法制备多级碳基铁镍氢氧化物。2.根据权利要求1所述多级碳基铁镍氢氧化物的原位制备方法，其特征在于，所述亲水碳布由以下方法制备：将碳布依次用丙酮、酒精超声清洗，再用水冲洗浸泡得亲水碳布。3.根据权利要求1所述多...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猛，张立阳，邹婧，王佳程，孙宽，周永利，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50