具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物及其制备方法和应用。本发明专利技术的钴铁铝氢氧化物电催化剂采用Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O制成，制备方法如下：将Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O加入无水乙醇中搅拌并加入NH4OH和去离子水混合液体，完全溶解后获得半透明橙黄色溶液，将半透明橙黄色溶液转移到反应釜中进行水热反应，反应釜自然冷却并得到下层沉淀物，分别用乙醇和去离子水对下层沉淀物进行洗涤，然后将下层沉淀物烘干并获得CoFeAl‑LDH，将CoFeAl‑LDH加入至NaOH溶液中洗涤，并获得具有Al空位的钴铁铝氢氧化物。用本制备方法制备的具有Al空位的钴铁铝氢氧化物应用于电催化分解水时提升了分解水的效率，且本制备方法提升了钴铁铝氢氧化物配方组分的利用率。

CoFeAl Composite Metal Hydroxide with Al Vacancies and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物及其制备方法和应用
本专利技术涉及电催化剂领域，特别涉及一种具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物及其制备方法和应用。
技术介绍
随着人们生活会水平的快速提高，环境问题与能源危机这两大难题日显突出，已经严重制约了人类的次序发展。作为一种有效缓解当前危机的可行方法，电解水制备氢气和氧气已经得到国内外的广泛认可，其分为析氢(HER)和析氧(OER)两部分反应。但是在实际的全解水反应中，由于OER的反应能垒较高，导致全解水反应的整体速率缓慢，严重限制了全解水的反应效率。因而，设计一种具有高效OER性能的电催化剂可以有效提升全分解水性能的关键技术之一。虽然贵金属氧化物(IrO2和RuO2)具有很高的电催化活性，但其昂贵的价格并不利于大规模的工业应用。因此，研发具有高效、稳定且价格低廉的非贵金属电催化剂是促进工业应用的关键所在。由于过渡金属价格相对低廉，且其氢氧化物具有良好的电催化性能，从而受到大家的广泛关注。钴铁双金属氢氧化物(CoFe-LDH)作为一种典型的LDH化合物，具有较大的比表面积，有助于提高材料表面的电催化反应活性位，以及促进气体和电解质的传输。由于Al离子具有2价和3价两种价态，与Co和Fe的价态近似，其能够很容易的掺杂到CoFe-LDH材料，形成三元的CoFeAl-LDH材料。也由于Al具有酸碱双向特性，其较容易与H2O发生反应，从而脱离LDH材料，形成空位，可改变体系的原子及电子结构，调控材料的物理和化学性能，降低OER反应的动力学能垒，从而提高材料的电催化性能。而通过简单的搅拌加水热法制备具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物电极材料及其电催化分解水应用方面迄今还未见相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术的不足，提供一种解决现有技术的不足之处的具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物及其制备方法和应用。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物，其特征在于：包括以下配方组分：Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O，Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为2:1:1。以上技术方案中，相对于传统的层状钴铁双金属氢氧化物CoFe-LDH，本专利技术中，配方组分中的铝金属离子实现了CoFe-LDH的晶体结构和电子结构的改变，从而改变层状钴铁铝氢氧化物电催化剂的物理和化学特性，降低催化剂的过电位，使得含有铝金属离子的层状钴铁铝氢氧化物电催化剂的电催化性能得到提高。进一步地，将含有铝金属离子的层状钴铁铝氢氧化物加入至NaOH溶液中洗涤，从而获得具有Al空位的钴铁铝复合金属氢氧化物，同时形成部分氧空位。具有Al空位的钴铁铝复合金属氢氧化物通过铝空位来调控CoFeAl-LDH基体的晶体结构、电子结构，从而降低钴铁铝复合金属氢氧化物的过电位，并提升其电催化性能。本专利技术还提供了一种具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物的制备方法：包括以下步骤S1、将Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O加入无水乙醇并搅拌，并获得混合液；S2、在S1的混合液中加入NH4OH和去离子水混合液体并搅拌至完全溶解，获得半透明橙黄色溶液；S3、将S2中的半透明橙黄色溶液转移到反应釜中，并进行水热反应；S4、将反应釜自然冷却至室温并得到下层沉淀物，将下层沉淀物加入离心机并用乙醇和去离子水进行离心洗涤；S5、将完成离心洗涤的下层沉淀物烘干并获得CoFeAl-LDH；S6、将S5中获得的CoFeAl-LDH加入至NaOH溶液中并进行洗涤，并获得具有Al空位的钴铁铝复合金属氢氧化物。作为优选，步骤S6中，NaOH溶液浓度为0.1mol/L。以上技术方案中，NaOH溶液用于洗除钴铁铝复合金属氢氧化物CoFeAl-LDH中的Al离子。NaOH溶液浓度过高会导致钴铁铝复合金属氢氧化物中的过多的铝离子被去除，从而会降低本金属氢氧化物的电催化的效果；NaOH溶液浓度过低又会导致钴铁铝复合金属氢氧化物中的铝空位的不足，从而会降低本金属氢氧化物的电催化的效果。故步骤S6中采用0.1mol/L的NaOH溶液。将钴铁铝复合金属氢氧化物CoFeAl-LDH加入到0.1mol/L的NaOH中洗去除部分金属Al离子之后，钴铁铝复合金属氢氧化物材料的结晶度降低，其中3价Co的百分比增加，当其作为表面活性位时，其化学活性会得到明显改变。在电流密度为10mAcm-2时，本专利技术提供的具有Al空位的层状钴铁铝复合金属氢氧化物的过电位，从1.47V降低到1.39V，其电催化性能提高得到提高。作为优选，步骤S6中，步骤S5中获得的CoFeAl-LDH在NaOH溶液中洗涤时长为1-6min。以上技术方案中，洗涤时间过久会导致钴铁铝复合金属氢氧化物中的过多的铝离子被去除，从而会降低本金属氢氧化物的电催化的效果；溶液浓度过低又会导致钴铁铝复合金属氢氧化物中的铝空位的不足，从而会降低本金属氢氧化物的电催化的效果。故步骤S6中洗涤时长为1-6min。作为优选，Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Al(NO3)3·9H2O、NH4OH和去离子水混合液体的摩尔比为2:1:1:6:9。以上技术方案中，NH4OH为30wt％的NH4OH。在钴铁双金属氢氧化物CoFe-LDH中掺杂金属Al离子之后，金属Al离子将替换部分金属Co和Fe离子。但由于金属Al离子与O的p-p轨道杂化强度低于Co或Fe与O的d-p轨道杂化强度，因此，在Al掺杂替换Co和Fe之后，体系中Co和Fe与O的杂化强度增加，这将明显改变Co和Fe的电子结构，当其作为表面活性位时，其化学活性会得到明显改变。Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Al(NO3)3·9H2O、NH4OH和去离子水混合液体的摩尔比为2:1:1:6:9，使得配方原料具有高利用率，并能制备得到具有高催化性能的钴铁铝复合金属氢氧化物电催化剂。作为优选，步骤S3中，水热反应温度为140-170℃。以上技术方案中，水热反应是一种在密封的压力容器中，以水作为溶剂、粉体经溶解和再结晶的制备材料的方法。相对于其他粉体制备方法，通过水热反应制得的粉体具有晶粒发育完整，粒度小，且分布均匀，颗粒团聚较轻，可使用较为便宜的原料，易得到合适的化学计量物和晶形等优点。不低于140℃的温度保证了水热反应能够正常快速地进行，提高了反应效率，不高于170℃的温度降低了温度过高对制备CoFeAl-LDH带来的负面影响。作为优选，水热反应的反应时间为2-3小时。以上技术方案中，不低于2小时的时间设置保证了水热反应能够充分反应，不高于3小时的时间设置节省了完成水热反应后的等待时间，从而缩短了整个制备时间，提升了整个制备效率。作为优选，半透明橙黄色溶液体积为反应釜容量的70％-80％。以上技术方案中，半透明橙黄色溶液体积不低于70％的反应釜的容纳量使得单次制备量尽量最大化；半透明橙黄色溶液体积不高于80％的反应釜的容纳量使得在反应釜中进行水热反应中，降低半透明橙黄色液体溢出反应釜的概率，以及降低其对反应釜产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物，其特征在于：包括以下配方组分：Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O，Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为2:1:1。

【技术特征摘要】
1.具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物，其特征在于：包括以下配方组分：Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O，Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O的摩尔比为2:1:1。2.根据权利要求1所述的具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物的制备方法：包括以下步骤：S1、将Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O和Al(NO3)3·9H2O加入无水乙醇并搅拌，并获得混合液；S2、在S1的混合液中加入NH4OH和去离子水混合液体并搅拌至完全溶解，获得半透明橙黄色溶液；S3、将S2中的半透明橙黄色溶液转移到反应釜中，并进行水热反应；S4、将反应釜自然冷却至室温并得到下层沉淀物，将下层沉淀物加入离心机并用乙醇和去离子水进行离心洗涤；S5、将完成离心洗涤的下层沉淀物烘干并获得CoFeAl-LDH；S6、将S5中获得的CoFeAl-LDH加入至NaOH溶液中并进行洗涤，并获得具有Al空位的钴铁铝复合金属氢氧化物。3.根据权利要求2所述的具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物的制备方法，其特征在于：步骤S6中，NaOH溶液浓度为0.1mol/L。4.根据权利要求2或3所述的具有Al空位的CoFeAl复合金属氢氧化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，潘昊利，李环环，宫银燕，牛棱渊，刘心娟，陈泰强，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33