一种析氧电催化材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种析氧电催化材料及其制备方法和应用。该催化材料含有铁镍铬层状双氢氧化物(FeNiCr‑LDH)和金属基底，所述FeNiCr‑LDH原位垂直生长在所述金属基底的表面，所述金属基底中含有铁元素、镍元素和铬元素。本发明专利技术采用一步水热合成法，以金属基底作为半牺牲模板，在2,5‑二羟基对苯二甲酸配体的调控下，超薄纳米片状的FeNiCr‑LDH原位生长在金属基底表面，得到电催化材料，并将其直接作为自支撑电极用于电催化析氧反应。本发明专利技术制备的电催化材料具有优异的电催化活性，良好的电化学稳定性，制备工艺简单易行，成本低廉，具有大规模工业化的应用前景。

A electrocatalytic material for oxygen evolution and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种析氧电催化材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学领域，特别涉及一种析氧电催化材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，随着能源短缺，气候暖化与环境污染问题的日益严峻，寻找新型可再生绿色能源已成为材料和能源研究领域的重要课题之一。氢能由于能量密度高、零碳排放无污染等优点而被认为是最具潜力取代传统化石燃料的新能源。地球上的水资源极其丰富，电化学水分解制氢有着不可估量的巨大优势和应用前景。然而，电化学水分解过程中阳极发生的氧析出反应(OER)涉及到多步质子耦合电子转移过程和复杂的中间体吸附行为，具有缓慢的反应动力学。因此，需要高效的催化剂来降低反应能垒进而提高析氧反应速度。贵金属氧化物如RuO2和IrO2是目前公认的高活性析氧电催化剂，然而其储量稀少，价格昂贵，极大限制了其工业化应用。因此，发展和设计成本低廉、性能优越的析氧反应电催化剂是实现高效电化学水分解技术的关键，因而成为广大科研工作者们研究的热点。目前，作为OER电催化剂的层状双氢氧化物(LDH)由于其可调的化学组成和独特电子结构，使其在电催化领域具有很大的发展潜力。其中FeNi基LDH由于Fe、Ni元素具有活跃的d电子，且二者之间可形成很好的协同效应，使其作为性能优异的OER电催化剂在LDH材料中脱颖而出。但由于FeNi基LDH自身结构及导电性的限制，活性位点暴露不充分，使其催化活性不能得到最大程度的利用。因此，开发一种简单高效经济的方法制备具有高催化活性和导电性的FeNi基LDH材料对实现电解水的大规模工业化应用有着重要的现实意义。<br>
技术实现思路
根据本申请的一个方面，本专利技术提供一种新型高效经济的析氧电催化材料及其制备方法和应用。该催化材料可直接作为自支撑电极电催化析氧反应，在实现高效电催化析氧反应的同时，又可保证催化剂材料的稳定性。本专利技术的第一方面提供一种析氧电催化材料，该催化材料含有铁镍铬层状双氢氧化物(FeNiCr-LDH)和金属基底，所述FeNiCr-LDH原位垂直生长在所述金属基底的表面，所述金属基底中含有铁元素、镍元素和铬元素。其中，所述金属基底可以为不锈钢(SS)和泡沫铁镍铬合金(FNC)中的至少一种，优选为不锈钢。示例性的，该催化材料含有铁镍铬层状双氢氧化物(FeNiCr-LDH)和不锈钢(SS)，以FeNiCr-LDH-SS表示，所述FeNiCr-LDH原位垂直生长在所述不锈钢的表面。示例性地，该催化材料含有铁镍铬层状双氢氧化物(FeNiCr-LDH)和泡沫铁镍铬合金(FNC)，以FeNiCr-LDH-FNC表示，所述FeNiCr-LDH原位垂直生长在所述泡沫铁镍铬合金的表面。根据本专利技术的技术方案，所述FeNiCr-LDH形成超薄二维纳米片阵列。其中，所述纳米片的厚度为0.5-5nm，例如1-4nm，又如1.3-3nm；示例性地，厚度可以为0.8nm、1.5nm、1.69nm、2nm、2.5nm。根据本专利技术的技术方案，所述电催化材料具有由FeNiCr-LDH形成的超薄二维纳米片阵列组成的三维开放多孔结构。本专利技术的第二方面提供上述析氧电催化材料的制备方法，包括如下步骤：将有机溶剂、酸溶液与2,5-二羟基对苯二甲酸搅拌均匀形成混合溶液，以含铁、镍和铬的金属作为基底和金属源放入所述混合溶液中，经水热反应制备得到所述析氧电催化材料。根据本专利技术的技术方案，所述酸溶液可以选自盐酸溶液、硫酸溶液或硝酸溶液，优选为盐酸溶液或硝酸溶液。进一步地，所述酸溶液的浓度为0.5-5mol/L，例如1-4mol/L，示例性地，浓度为1.5mol/L、2mol/L、3mol/L。根据本专利技术的技术方案，所述有机溶剂可以选自N,N-二甲基乙酰胺和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。进一步地，所述有机溶剂与酸溶液的体积比为1:5-5:1，例如体积比为1:3-3:1，示例性地，体积比为1:1。根据本专利技术的技术方案，所述金属与所述有机溶剂的质量体积比(g/mL)为(1-4):30，例如(1.3-3):30，示例性地，质量体积比(g/mL)为1.6:30。进一步地，以质量百分比计，所述金属中含有铁元素50-60％、镍元素8-25％和铬元素18-25％，优选含有铁元素50-60％、镍元素8-11％和铬元素18-20％。例如，所述金属可以为不锈钢或泡沫铁镍铬合金，例如304不锈钢。本方法中金属作为半牺牲模板，充当金属源和基底，反应所需的铁元素、镍元素和铬元素皆来自于金属材料。根据本专利技术的技术方案，所述金属在加入反应釜之前，可以对其进行预处理，以除去金属表面的氧化层和有机残留物。其中，所述预处理的操作可以为：将金属依次浸入酸(例如稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸)、乙醇和水中超声洗涤，而后干燥。根据本专利技术的技术方案，反应过程中，在酸溶液的刻蚀下，铁离子、镍离子和铬离子在金属基底表面溶出的同时在金属表面原位生长FeNiCr-LDH材料。所加入的2,5-二羟基对苯二甲酸配体用于调控FeNiCr-LDH纳米片厚度。根据本专利技术的技术方案，所述2,5-二羟基对苯二甲酸与有机溶剂的质量体积比(mg/mL)为(1-10):3，例如(2-7):3，又如(3-5):3，示例性地，质量体积比(mg/mL)为4:3。根据本专利技术的技术方案，所述水热反应的温度为50-300℃，例如100-200℃，示例性地，温度为130℃、150℃、170℃。进一步地，所述水热反应的时间不超过48小时，例如12-30小时，示例性地，时间为15小时、18小时、24小时。根据本专利技术的技术方案，所述水热反应完成后，待产物自然冷却至室温，而后对产物进行洗涤。例如，使用乙醇和水(比如蒸馏水或去离子水)对产物进行多次洗涤。进一步地，洗涤完成后，在50-70℃下干燥产物。根据本专利技术的实施方式，所述析氧电催化材料的制备方法，包括以下步骤：a)将盐酸溶液、2,5-二羟基对苯二甲酸配体与N,N-二甲基乙酰胺混合均匀后，加入预处理后的金属材料，将其置于聚四氟乙烯反应釜中；b)所述反应釜密封，在50-300℃下保持不超过48小时进行水热反应，反应完成得到所述析氧电催化材料。本专利技术的第三个方面提供由上述制备方法得到的析氧电催化材料。本专利技术的第四个方面提供上述析氧电催化材料在电催化析氧反应中的应用，优选作为反应中的自支撑电极。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术所提供的析氧电催化材料，FeNiCr-LDH原位生长在金属(如不锈钢)表面，二者之间接触紧密牢固，从而增强催化剂整体导电性和稳定性。(2)本专利技术所提供的电催化材料，具有超薄二维纳米片阵列所构成的三维开放多孔结构，不仅可以暴露出更多催化活性位点，还有利于电解质的渗透，以促进电子和质量传递，从而加快催化的反应动力学。(3)本专利技术所提供的电催化材料，其可直接作为自支撑电极电催化析氧反应，避免了粘合剂的使用，减少电极制备步骤，简便快捷。(4)本专利技术所提供的电催化材料，应用于碱性电解质下析氧反应能显著降低过电势，当实现电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种析氧电催化材料，其特征在于，该催化材料含有铁镍铬层状双氢氧化物(FeNiCr-LDH)和金属基底，所述FeNiCr-LDH原位垂直生长在所述金属基底的表面，所述金属基底中含有铁元素、镍元素和铬元素。/n

【技术特征摘要】
1.一种析氧电催化材料，其特征在于，该催化材料含有铁镍铬层状双氢氧化物(FeNiCr-LDH)和金属基底，所述FeNiCr-LDH原位垂直生长在所述金属基底的表面，所述金属基底中含有铁元素、镍元素和铬元素。


2.根据权利要求1所述的析氧电催化材料，其特征在于，所述金属基底为不锈钢和泡沫铁镍铬合金中的至少一种。


3.根据权利要求1或2所述的析氧电催化材料，其特征在于，所述FeNiCr-LDH形成超薄二维纳米片阵列；
优选地，所述纳米片的厚度为0.5-5nm。


4.根据权利要求1-3任一项所述的析氧电催化材料，其特征在于，所述电催化材料具有由FeNiCr-LDH形成的超薄二维纳米片阵列组成的三维开放多孔结构。


5.权利要求1-4任一项所述析氧电催化材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
将有机溶剂、酸溶液与2,5-二羟基对苯二甲酸搅拌均匀形成混合溶液，以含铁、镍和铬的金属作为基底和金属源放入所述混合溶液中，经水热反应制备得到所述析氧电催化材料。


6.根据权利要求5所述析氧电催化材料的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱起龙，谢秀媛，曹昌盛，林华，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35