一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法和应用技术

一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法和应用，它涉及一种合成高效电催化剂的方法和应用。本发明专利技术的目的是要解决现有商用的析氧反应催化剂为贵金属，价格高且稳定性差，大规模应用受到限制和现有镍铁催化剂的合成条件苛刻，工艺复杂，成本高，严重制约其大规模生产和应用的问题。方法：一、泡沫镍的预处理；二、配制铁溶液；三、浸泡，得到镍铁纳米片阵列高效电催化剂。本发明专利技术可大规模生产，可以用来生产不同规格的镍铁纳米片阵列高效电催化剂，适合商业应用，更适应工业生产的需要。本发明专利技术可获得镍铁纳米片阵列高效电催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法和应用
本专利技术涉及一种合成高效电催化剂的方法和应用。
技术介绍
全球性的能源问题和伴随着的由化石能源过度开采导致的严重环境影响已经刺激了如今发展清洁和可持续能源的研究活动。由于高能量密度和无碳特性，氢气被认为在未来有希望成为碳基化石能源的替代品。最近十年，在多种产氢的方法之中，由太阳能驱动的碱性电解液中的电解水产氢得到了大量关注。电解水过程中，水既是唯一的原材料又是唯一的副产物，生产方式对环境友好，所产氢气纯度高。目前，越来越多报道的工作集中于设计高效率的可充电锌空气电池供电的水解串联系统用于生产可再生能源工业。考虑到锌空气电池和水解系统都需要析氧反应(OER)，并且这种杂合体系比上述提及的通过初级能源驱动水解的装置更加可行。然而，因为多级质子耦合的电子转移，析氧反应动力学过程迟滞，深刻影响了水解和锌空气电池的效率。因此，探索和设计高活性催化材料去促进析氧反应对降低过电位和提升整体过程的能量效率具有重要意义。目前商用的析氧反应催化剂为贵重金属如二氧化铱和二氧化钌，然而，因这些物质地表储量少，价格高且稳定性差，其大规模的应用受到了极大制约。为了解决这个问题，科研界投入巨大的努力去开发优异的析氧催化剂替代品，镍铁具有低成本、固有高催化活性和储量丰富等优点。鉴于这点，镍铁氧化物或氢氧化物作为标杆性的析氧反应催化剂，已经在水解和金属氧气电池领域受到了很大关注。但是目前所报道的这类材料，需要高温、高压或者电场等环境，制造工艺复杂，成本较高，严重制约了其大规模生产和应用。经计算现有方法制备的Cu@NiFeLDH/CF每平方厘米的成本约为2.235美元，而制备NiFe-MOF/NF的成本相对于制备Cu@NiFeLDH/CF的成本大大降低，然而制备每平方厘米NiFe-MOF/NF的成本仍然需要约0.0542美元。将生产成本减到最低，将工艺条件最简化，这些应该被统筹考虑来让镍铁基阳极材料更接近应用于工业化的电解水。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有商用的析氧反应催化剂为贵金属，价格高且稳定性差，大规模应用受到限制和现有镍铁催化剂的合成条件苛刻，工艺复杂，成本高，严重制约其大规模生产和应用的问题，而提供一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法和应用。一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法，是按以下步骤完成的：一、泡沫镍的预处理：将商业化的泡沫镍浸入到浓度为2mol/L～4mol/L的稀盐酸中5min～10min，取出后首先使用无水乙醇冲洗3次～5次，再使用蒸馏水冲洗3次～5次，得到去除杂质的泡沫镍；二、配制铁溶液：将铁盐溶解到去离子水中，再进行超声5min～10min，得到铁盐溶液；步骤二中所述的铁盐溶液的浓度为100mmol/L～300mmol/L；三、浸泡：室温下将去除杂质的泡沫镍浸泡在铁盐溶液中1h～10h，取出后使用去离子水冲洗3次～5次，得到镍铁纳米片阵列高效电催化剂。进一步的步骤一中所述的商业化的泡沫镍的厚度为0.5mm～1mm，孔径为1μm～100μm。进一步的步骤二中所述的铁盐为九水合硝酸铁。进一步的步骤二中所述的超声功率为500W～700W。进一步的步骤一中将商业化的泡沫镍浸入到浓度为2mol/L～3mol/L的稀盐酸中5min～10min，取出后首先使用无水乙醇冲洗3次～4次，再使用蒸馏水冲洗3次～4次，得到去除杂质的泡沫镍。进一步的步骤二中所述的铁盐溶液的浓度为100mmol/L～150mmol/L。进一步的步骤二中所述的铁盐溶液的浓度为200mmol/L～300mmol/L。进一步的步骤三中室温下将去除杂质的泡沫镍浸泡在铁盐溶液中1h～5h，取出后使用去离子水冲洗3次～4次，得到镍铁纳米片阵列高效电催化剂。进一步的步骤三中室温下将去除杂质的泡沫镍浸泡在铁盐溶液中7h～8h，取出后使用去离子水冲洗3次～4次，得到镍铁纳米片阵列高效电催化剂。镍铁纳米片阵列高效电催化剂用于催化碱性环境中的电解水析氧反应。本专利技术的原理：本专利技术基于氧化还原反应及共沉积反应原理，首先是泡沫镍和三价铁离子之间发生了氧化还原反应，然后，二价铁离子、三价铁离子和镍离子发生了共沉积反应，在泡沫镍骨架上生成了独特的镍铁氢氧化物纳米片阵列，即镍铁纳米片阵列高效电催化剂。铁的掺入深入地提高了电子转移速率并且和镍位点产生了协同效应，催化性能大范围提高。通过该方法，能够实现常温常压下合成廉价基于泡沫镍的镍铁纳米片阵列高效电催化剂，其打破了传统需要高温、高压、电场等外部条件的制约，只需要室温下浸泡，大大降低了成本并实现高催化性能。此外，这种高效的电催化剂与析氢反应催化剂结合，可以由太阳能装置驱动，提高电解水产氢的效率，真正实现绿色可持续的氢能生产。本专利技术的优点：一、本专利技术制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂展示出了在严苛的碱性条件下析氧反应催化性能的显著提高；当析氧反应电流密度达到50mA/cm2和500mA/cm2时，过电位仅分别为240mV～250mV和290mV～300mV，且塔费尔斜率低至46.7。这样极好的析氧反应性能能够归功于催化活性的提高、镍铁协同产生的良好导电性和催化活性位点的高效利用，并且镍铁纳米阵列结构、纳米片之前的开放空间和纳米片上的丰富纳米孔有利于电解液的渗透和氧气的扩散；二、本专利技术成本低廉，只需要商业化的泡沫镍和铁盐溶液，且铁盐溶液可反复利用，因此，本专利技术制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的每平方厘米估算成本远远低于其他现有已经报道的含铁析氧反应催化剂，本专利技术制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的每平方厘米估算成本约为0.0187美元；三、本专利技术工艺简单，仅需要将商业化的泡沫镍进行简单的处理，再直接浸泡在铁盐溶液中，工艺流程简单易操作；四、本专利技术节能环保，不需加热、加压或电能，仅需常温下浸泡；不产生有毒物质，铁盐溶液可反复利用；五、本专利技术可大规模生产，可以用来生产不同规格的镍铁纳米片阵列高效电催化剂，适合商业应用，更适应工业生产的需要。本专利技术可获得镍铁纳米片阵列高效电催化剂。附图说明图1为实施例一制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的放大1100倍的SEM图；图2为实施例一制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的放大1100倍的TEM图；图3为实施例二测得的J-V曲线图，图中1为以实施例一制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂为工作电极测得的J-V曲线，2为以泡沫镍为工作电极测得的J-V曲线；图4为实施例二测得的塔费尔斜率曲线图；图5为实施例二中持续输出100毫安每平方厘米电流时的稳定曲线图；图6为实施例三制备的不同大小规格的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的数码照片图；图7为实施例三中利用长为20cm，宽为18cm的商业化的泡沫镍制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的SEM图；图8为实施例三测得的J-V曲线图，图中1为利用长为1cm，宽为1cm的商业化的泡沫镍制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂为工作电极测得的J-V曲线，2为利用长为20cm，宽为18cm的商业化的泡沫镍制备的镍铁纳米片阵列高效电催化剂为工作电极测得的J-V曲线；图9为实施例四的测试结果图；图10为图9中电解池的放大图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种常温常压下合成廉价的镍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法，其特征在于一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法是按以下步骤完成的：一、泡沫镍的预处理：将商业化的泡沫镍浸入到浓度为2mol/L～4mol/L的稀盐酸中5min～10min，取出后首先使用无水乙醇冲洗3次～5次，再使用蒸馏水冲洗3次～5次，得到去除杂质的泡沫镍；二、配制铁溶液：将铁盐溶解到去离子水中，再进行超声5min～10min，得到铁盐溶液；步骤二中所述的铁盐溶液的浓度为100mmol/L～300mmol/L；三、浸泡：室温下将去除杂质的泡沫镍浸泡在铁盐溶液中1h～10h，取出后使用去离子水冲洗3次～5次，得到镍铁纳米片阵列高效电催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法，其特征在于一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法是按以下步骤完成的：一、泡沫镍的预处理：将商业化的泡沫镍浸入到浓度为2mol/L～4mol/L的稀盐酸中5min～10min，取出后首先使用无水乙醇冲洗3次～5次，再使用蒸馏水冲洗3次～5次，得到去除杂质的泡沫镍；二、配制铁溶液：将铁盐溶解到去离子水中，再进行超声5min～10min，得到铁盐溶液；步骤二中所述的铁盐溶液的浓度为100mmol/L～300mmol/L；三、浸泡：室温下将去除杂质的泡沫镍浸泡在铁盐溶液中1h～10h，取出后使用去离子水冲洗3次～5次，得到镍铁纳米片阵列高效电催化剂。2.根据权利要求1所述的一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法，其特征在于步骤一中所述的商业化的泡沫镍的厚度为0.5mm～1mm，孔径为1μm～100μm。3.根据权利要求1所述的一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法，其特征在于步骤二中所述的铁盐为九水合硝酸铁。4.根据权利要求1所述的一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列高效电催化剂的方法，其特征在于步骤二中所述的超声功率为500W～700W。5.根据权利要求1所述的一种常温常压下合成廉价的镍铁纳米片阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建龙，岳智浩，朱文新，张天树，李银鸽，张怡，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61