NiO/Co制造技术

本发明专利技术公开了一种基于泡沫镍生长的氧化镍‑四氧化三钴(NiO/Co

NiO/Co

【技术实现步骤摘要】
NiO/Co3O4的制备方法及其应用
本专利技术属于材料工程
及电催化领域，具体涉及一种用于析氧电催化剂的NiO/Co3O4复合物的制备方法。
技术介绍
传统化石能源不可再生，且其产物造成了严重的环境污染，因此，寻找新一代的清洁能源，实现其可持续发展，是能源储存和转换领域的新课题。在众多新能源产能装置中，电解水是一种十分具有发展前景的获得清洁新能源的有效途径。析氧反应作为水分解系统的半反应之一，是一个复杂的多电子过程，其缓慢的动力学速度极大地阻碍了整个水分解反应的效率。因此需要催化剂来加速反应，降低能耗。目前，对于析氧反应催化活性较高的是Ir，RuO2等贵金属基材料，但这些材料费用高昂，在地球上储量稀少，难以投入大规模应用。因此，开发非贵金属基储量丰富，廉价的高效催化剂来代替贵金属催化剂仍然是一项巨大的挑战。近几十年来，过渡金属族化合物由于其特殊的电子结构被报道具有高效的催化活性。其中，过渡金属氧化物结构稳定，价格低廉，合成过程简单可控，催化效率优越，十分适于电催化析氧反应。NiO是过渡金属氧化物中的杰出代表，受到许多科研人员的青睐。许多人致力于通过各种方法来进一步提升NiO的催化活性,包括掺杂和微观形貌调控。另外，复合是一种常用的提高电催化活性的有效手段。Xi教授课题组制备了NiO/CoN的复合催化剂，在析氧反应中，获得10mA/cm2的电流密度仅需300mV过电位，表现出优异的催化活性，并应用于锌-空气电池的研究。J.C.Ho教授课题组合成了NiO/CeO2复合催化剂，在10mA/cm2的电流密度处所需析氧过电位为382mV,比纯的的NiO和CeO2的催化效率都有很大提高。N.Mahmood等研究人员将Co3O4与NiO共同负载生长在氮掺杂纳米带上，得到NiO/Co3O4@NC复合材料。跟碳基材料复合大大减小了反应过程中的电子传输阻力，反应能垒降低，当电流密度达到10mA/cm2时，过电位仅为240mV。但是不足之处在于NiO和Co3O4零散地生长在纳米带上，这两者之间并没有形成很好的界面，碳纳米带很好地提高了导电性，但对活性位点的贡献却很少，因此在较高的电流密度下仍然需要较高的过电位来推动反应的进行，展现出塔菲尔斜率为73mV/dec。由于是粉末样品，在催化反应中需要添加粘合剂并涂覆于电极表面，操作复杂而且会牺牲一部分性能。这些报道皆说明将两种或多种催化材料复合为一体可以有效地提高催化剂的催化活性，但复合结构中各相材料的选择至关重要，而且具体复合结构的设计将影响整个催化剂最后的催化效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中的额缺点而提供一种以泡沫镍为基底，以硝酸镍和尿素为原料，氟化铵为形貌控制剂，通过水热法制备出氧化镍的前驱体；将该前驱物在空气中低温退火得到纯的NiO；然后再以该氧化镍为基底材料，加入乙酸钴溶液和氨水，进行第二步水热反应得到生长在泡沫镍基底上的NiO/Co3O4两相复合电催化剂材料，是将Co3O4纳米颗粒均匀分散生长在NiO纳米片上的NiO/Co3O4复合物的制备方法，本方法制备的NiO/Co3O4复合物显示出良好的催化活性，同时出现了很多利于催化反应的界面及缺陷，相较于单相催化剂，大大提高了催化活性。泡沫镍基底的使用可以免去电催化过程中导电剂和粘接剂的加入，简化了催化反应的实施过程，也降低了电极阻抗。本专利技术的另一目的是本方法制备的NiO/Co3O4复合物应用于电催化析氧反应。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：一种NiO/Co3O4复合物的制备方法，其工艺为：首先将六水合硝酸镍、尿素和氟化铵溶解后与泡沫镍基底通过水热法制备得到氧化镍的前驱体，然后将氧化镍的前驱体置于箱式炉中在300-450℃温度下退火得到NiO，最后将NiO和碱性乙酸钴溶液在85-150℃低温水热反应得到NiO/Co3O4复合物。上述NiO/Co3O4复合物的制备方法，包括以下步骤：（1）将六水合硝酸镍、尿素和氟化铵分散于去离子水中室温搅拌至溶解得到透明溶液，再将溶液转移至反应釜中，加入清洗干净的泡沫镍基底，进行水热反应，得到长在泡沫镍基底上的纳米片结构的氧化镍前驱体，其中水热温度为90-160℃，时间为5-36h；（2）将得到的氧化镍前驱体置于马弗炉中，在300-450℃下保温1-6h，随炉冷却至室温后，获得长在泡沫镍基底上的NiO；所述泡沫镍基底上的NiO的负载量为0.5-4mg/cm2；（3）将乙酸钴加入去离子水和酒精中，搅拌至溶解，再加入氨水，搅拌均匀后与长在泡沫镍基底上的NiO一起置于反应釜中，在85-150℃下水热反应6-48h，得到长在泡沫镍基底上的NiO/Co3O4复合物。所述步骤（1）中反应釜中溶液填充比为40-80vol.%，所述六水合硝酸镍与尿素与氟化铵的摩尔比例为1:2:5，所述六水合硝酸镍、氟化铵、尿素在溶液中的浓度分别为25mmol/L、50mmol/L、125mmol/L，所述泡沫镍基底的加入量是1-6cm2。所述步骤（2）的升温速度为2-10℃/min。所述步骤（3）中乙酸钴的摩尔量为步骤（1）中所加硝酸镍的0.25-4倍。所述步骤（3）中去离子水和酒精的体积比例为1:1，其中去离子水的加入量为反应釜容量的30vol.%，所用氨水质量浓度为25wt.%-28wt.%，所加氨水的体积为所用去离子水体积的1/5。所述步骤（1）和（3）中反应釜内为聚四氟乙烯衬底。上述制备方法制备的NiO/Co3O4复合物的应用，所述NiO/Co3O4复合物应用于电催化析氧反应，表现出优异的催化活性。本专利技术具有以下特点：1.本方法通过分步式反应，可以控制Co3O4颗粒均匀地分散生长在NiO纳米片，产生很多Co3O4和NiO的有效界面。两相的比例可以通过第二步水热反应中的钴离子浓度来调控。2.本方法中NiO作为复合材料的生长基底，以纳米片的微观结构存在，而Co3O4以纳米颗粒的结构紧密地附着生长在NiO的表面。这种片与颗粒的结合增多了材料的活性位点，提高活性的同时没有破坏材料固有的电子传输途径，而且有利于缩短催化反应中的电子传输路径。3.本方法利用泡沫镍作为基底，可以有效地分离未发生复合的粉末样品，从而大大提高了复合的效率。其次，本方法中泡沫镍不仅充当了Co3O4和NiO的生长基底，也成为催化反应中的电极支撑材料，且起到良好的导电作用。大大地简化了催化反应之前的准备过程，节约成本。本方法操作简便，可重复性高，成本低廉，易于实现流程化工业生产。且得到的NiO/Co3O4复合材料中，NiO纳米片无规穿插生长，片与片之间产生很多孔洞与间隙，再加上Co3O4的原位复合生长，使得NiO纳米片表面更加粗糙，又提供了很多新的界面。这些协同效应使得NiO/Co3O4复合催化剂材料表现出优异的催化活性。本专利技术中选择Co3O4和NiO复合，并生长于泡沫镍基底上。因为Co3O4的表面钴的氧化态包含钴的高价态和低价态，十分有利于复合过程中界面处电荷密度分布的改变以及电子的传输，而且钴本身就本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种NiO/Co

【技术特征摘要】
1.一种NiO/Co3O4复合物的制备方法，其特征在于工艺为：首先将六水合硝酸镍、尿素和氟化铵溶解后与泡沫镍基底通过水热法制备得到氧化镍的前驱体，然后将氧化镍的前驱体置于箱式炉中在300-450℃条件下退火得到NiO，最后将NiO和碱性乙酸钴溶液在85-150℃低温水热反应得到NiO/Co3O4复合物。


2.根据权利要求1所述的一种NiO/Co3O4复合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将六水合硝酸镍、尿素和氟化铵分散于去离子水中室温搅拌至溶解得到透明溶液，再将溶液转移至反应釜中，加入清洗干净的泡沫镍基底，进行水热反应，得到长在泡沫镍基底上的纳米片结构的氧化镍前驱体，其中水热温度为90-160℃，时间为5-36h；
（2）将得到的氧化镍前驱体置于马弗炉中，在300-450℃下保温1-6h，随炉冷却至室温后，获得长在泡沫镍基底上的NiO；
（3）将乙酸钴加入去离子水和酒精的混合溶剂中，搅拌至溶解，再加入氨水，搅拌均匀后与长在泡沫镍基底上的NiO一起置于反应釜中，在85-150℃下水热反应6-48h，得到长在泡沫镍基底上的NiO/Co3O4复合物。


3.根据权利要求1或2所述的一种NiO/Co3O4复合物的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中反应釜中溶液填充...

【专利技术属性】
技术研发人员：高大强，张景艳，姜兴东，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62