一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂及其应用，本发明专利技术的三维电催化剂由如下方法制备而成：(1)以硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素为原料，泡沫镍铬为衬底，在水和乙二醇混合溶剂中进行溶剂热反应，得到直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片；(2)将直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片在氢气气氛下高温还原，即制备得到基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂。本发明专利技术的三维电催化剂具有较低的过电势和优异的电催化性能，而且稳定性好，可广泛应用于电催化分解水领域。

A Three-Dimensional Electrocatalyst Based on Stainless Steel Nanostructure and Its Application

The invention discloses a three-dimensional electrocatalyst based on stainless steel nano structure and its application. The three-dimensional electrocatalyst of the invention is prepared by the following methods: (1) with ferric nitrate, nickel nitrate, ammonium fluoride and urea as raw materials, foamed nickel chromium as the substrate, solvothermal reaction in water and glycol mixed solvent, and obtaining iron and nickel precursor nano particles directly growing on foam nickel chromium. (2) iron and nickel precursor nanosheets directly grown on foam nickel chromium were recharged in hydrogen atmosphere at high temperature, that is to say, three dimensional electrocatalysts based on stainless steel nanostructures were prepared. The three-dimensional electrocatalyst of the invention has low overcurrent advantage, excellent electrocatalytic performance and good stability, and can be widely used in the field of electrocatalytic water decomposition.

【技术实现步骤摘要】
一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂及其应用
本专利技术涉及电催化剂
，具体涉及一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂及其应用。
技术介绍
通过电催化分解水获得氢气是目前应对环境问题和能源短缺的一种十分有前景的技术之一。因为电催化分解水被广泛地认为是一种有前景的生产持续、安全、绿色的氢能。电催化分解水可被分为两个半反应：阴极的析氢反应和阳极的析氧反应。两个半反应的效率是决定电催化分解水的关键因素，这就需要电催化剂来降低反应过程中需要的过电势来使电催化析氢反应更加容易。目前，一些贵金属及其前驱体例如Pt基和Ir基的复合纳米材料被认为是较好的析氧反应的电催化剂。虽然如此，但是由于其地球中含量较少和价格昂贵阻碍了其广泛地应用。因此广大研究学者开始开发各种地球上丰富含量的以过渡金属为代表的电催化剂。以过渡金属氧化物，氮化物，磷化物，硫化物等等为代表，很少有人把关注点放在过渡金属单质做为电催化剂，因为金属单质的活性不高，稳定性比较差等因素限制其在电催化领域的发展。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂。本专利技术的三维电催化剂具有较低的过电势和优异的电催化性能，而且稳定性好，可广泛应用于电催化分解水领域。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一方面，提供一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)以硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素为原料，泡沫镍铬为衬底，在水和乙二醇混合溶剂中进行溶剂热反应，得到直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片；(2)将直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片在氢气气氛下高温还原，即制备得到基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂。优选的，步骤(1)中，硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素加入的重量比为(0.01-0.5)：(0.05-1)：(0.1-5)：(0.5-10)；更优选的，硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素加入的重量比为0.1:0.5:0.5:1。优选的，步骤(1)中，溶剂热反应的温度为100-200℃，时间为2-24h。优选的，步骤(2)中，高温还原的温度为200-900℃，时间为2-8h。本专利技术的第二方面，提供上述方法制备的三维电催化剂。所述三维电催化剂的纳米片的厚度为2-20nm，纳米颗粒直径为10-100nm。本专利技术的第三方面，提供上述三维电催化剂在电催化分解水中的应用。本专利技术的第四方面，提供一种电化学产氢的方法，包括以下步骤：采用上述的三维电催化剂在碱性溶液中电催化分解水反应，产出氢气和氧气。优选的，所述碱性溶液为浓度为1M的KOH溶液。优选的，所述电催化分解水反应采用的是三电极体系；所述三电极体系包括：对电极、参比电极和工作电极。本专利技术的有益效果：本专利技术制备的三维电催化剂具有较低的过电势和优异的电催化性能，而且稳定性好，可广泛应用于电催化分解水领域。附图说明图1：泡沫镍铬负载了铁镍前驱体的扫描电镜照片。图2：泡沫镍铬负载铁镍多孔结构的扫描电镜照片。图3：本专利技术所述泡沫镍铬负载铁镍多孔结构的电催化剂析氢析氧的线性伏安曲线。图4：电流随着时间变化曲线。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。正如
技术介绍
中介绍的，现有的以过渡金属为代表的电催化剂，主要是以过渡金属的氧化物、氮化物、磷化物或硫化物等为活性成分，由于金属单质的活性不高、稳定性较差等因素限制了其在电催化领域的发展。基于此，本专利技术构建了一种三维电催化剂，本专利技术的三维电催化剂是以泡沫镍铬为集流体，首先以溶剂热法在泡沫镍铬上直接生长铁镍前驱体，然后在氢气气氛下对前驱体进行高温还原，得到三维电催化剂。该三维电催化剂包含纳米不锈钢结构，即含有铁镍铬三元合金的材料作为电催化剂。在本专利技术的一种实施方案中，所述三维电催化剂由如下方法制备而成：以硝酸铁、硝酸镍、氟化氨和尿素为原料，泡沫镍铬为衬底，在水和乙二醇混合溶剂下进行溶剂热反应得到直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片，然后在氢气气氛下高温还原得到由纳米颗粒组成的多孔网状结构三维电催化剂，即为基于纳米不锈钢结构的三维电催化剂。其中硝酸铁的质量为0.01g～0.5g，硝酸镍的质量为0.05～1g，氟化氨的质量为0.1～5g，尿素的质量为0.5～10g，溶剂热的温度为100℃～200℃，反应时间为2～24小时；氢气气氛下高温还原的温度为200℃～900℃，时间为2～8小时，纳米片的厚度为2～20nm，纳米颗粒直径为10～100nm。上述制备的电催化剂，其中，泡沫镍铬负载了铁镍前驱体的扫描电镜照片如图1所示；泡沫镍铬负载铁镍多孔结构的扫描电镜照片如图2所示；本专利技术所述泡沫镍铬负载铁镍多孔结构的电催化剂析氢析氧的线性伏安曲线如图3所示，图3说明10mA/cm2下的电位为过电位的标杆。应用上述制备的电催化剂在1MKOH溶液中实施电催化分解水，产氢和产氧的过电势分别为60mV～300mV和150mV～500mV。电流随着时间变化曲线如图4所示，由图4可以看出，本专利技术的电催化剂所形成的电流密度能够稳定保持在10h以上。本专利技术的主要创新点在于：一方面通过构建三维结构增加电催化剂的比表面积来增大电催化的活性位点，以此降低在电化学过程中的过电势；另外一方面借助不锈钢防腐蚀的的特点以此来提高催化剂的稳定性。其中，对于构建三维结构来增加本专利技术的电催化剂的比表面积，本专利技术采用的是两步反应，第一步是以硝酸铁、硝酸镍、氟化氨和尿素为原料，泡沫镍铬为衬底，在水和乙二醇混合溶剂下进行溶剂热反应得到直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片；上述各原料的用量配比和溶剂热反应的条件直接影响制备的铁镍前驱体纳米片的形貌，经多次试验发现，硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素加入的重量比为(0.01-0.5)：(0.05-1)：(0.1-5)：(0.5-10)，溶剂热反应的温度为100-200℃，时间为2-24h时，其制备的铁镍前驱体纳米片的形貌较优。第二步是将铁镍前驱体纳米片在氢气气氛下高温还原得到由纳米颗粒组成的多孔网状结构三维电催化剂；高温还原的温度和时间条件对于构建的三维电催化剂的形貌有非常大的影响，经多次试验发现，高温还原的温度为200-900℃，时间为2-8h时，所构建的三维电催化剂的形貌最优。对于借助不锈钢防腐蚀的的特点来提高催化剂的稳定性，本专利技术创新性的使用泡沫镍铬作为衬底，在氢气还原的过程中，泡沫镍铬中的镍铬会与被还原后的铁镍反应生成“铁镍铬三元合金”，“铁镍铬三元合金”具有不锈钢防腐蚀的特点，可以极大提高三维电催化剂的稳定性；因此，泡沫镍铬在本专利技术中不仅仅是作为衬底使用，还是构建“铁镍铬三元合金”的反应原料。另外，氢气高温还原的温度和时间条件还会影响“铁镍铬三元合金”的合金组成，进而影响制备的三维电催化剂的性能。为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。本专利技术实施例和对比例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。实施例1：三维电催化剂的制备①取24mL水加入50mL反应釜中，加入硝酸铁0.01g，硝酸镍0.05g，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素为原料，泡沫镍铬为衬底，在水和乙二醇混合溶剂中进行溶剂热反应，得到直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片；(2)将直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片在氢气气氛下高温还原，即制备得到基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素为原料，泡沫镍铬为衬底，在水和乙二醇混合溶剂中进行溶剂热反应，得到直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片；(2)将直接生长在泡沫镍铬上的铁镍前驱体纳米片在氢气气氛下高温还原，即制备得到基于不锈钢纳米结构的三维电催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素加入的重量比为(0.01-0.5)：(0.05-1)：(0.1-5)：(0.5-10)。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，硝酸铁、硝酸镍、氟化铵和尿素加入的重量比为0.1:0.5:0.5:1。4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏，刘志贺，谭华，辛建平，杨瑞琪，陈玉客，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37