镍铁氢氧化物电催化剂以及制备方法与应用、自供能系统及其应用技术方案

本发明专利技术涉及电催化剂领域，公开了一种镍铁氢氧化物电催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、将铁盐、含氟化合物和尿素溶于水中，搅拌得到均相溶液；步骤2、将泡沫镍浸渍于步骤1所述的均相溶液中，进行水热反应后，冷却、洗涤剂洗涤后得到所述镍铁氢氧化物电催化剂。由本发明专利技术所述方法制得的电催化剂具有优异的催化活性，且所述电催化剂经析氢活化或析氧活化后具有优异的析氢催化活性和析氧催化活性，能够用于锌空气电池和/或电解池中，其与摩擦纳米发电机配合而得到的自供能系统，能够实现间歇性可再生能源的有效利用。

Nickel iron hydroxide electrocatalyst, preparation method and application, self energy supply system and its application

【技术实现步骤摘要】
镍铁氢氧化物电催化剂以及制备方法与应用、自供能系统及其应用
本专利技术涉及电催化剂领域，具体涉及一种镍铁氢氧化物电催化剂以及制备方法与应用、一种自供能系统及其应用。
技术介绍
随着全球经济的发展，人们对能源的需求不断地增长，当前绝大多数能源来自于化石燃料，如煤炭、石油和天然气。然而随着化石燃料的持续开采和消耗，不可避免地面临资源枯竭和环境污染等问题。因此促使人们研究关于清洁能源(如风能、太阳能、海洋能等)的存储与转换技术。为了解决这些可再生能源的间歇性问题，通过(光)电催化制氢被认为是一种有效的方案。传统的电催化技术在酸性或碱性电解池中进行水分解，然而缓慢的析氢和析氧催化动力学问题导致需要较大的过电位才能产生较高的电流密度，因此为了提高能量转换效率，减少或避免使用贵金属催化剂以降低生产成本，开发高效的非贵金属电催化剂用于析氢反应、析氧反应和氧还原反应是很多研究人员关注的重点(Du,X.C.；Huang,J.W.；Zhang,J.J.；Yan,Y.C.；Wu,C.Y.；Hu,Y.；Yan,C.Y.；Lei,T.Y.；Chen,W.；Fan,C.；Xiong,J.ModulatingElectronicStructuresofInorganicNanomaterialsforEfficientElectrocatalyticWaterSplitting.Angew.Chem.,Int.Ed.2019,58,4484-4502.)。镍铁氢氧化物具有水滑石结构特征，是一类高效的析氧电催化剂，为了满足实际应用的标准，需要进一步提高析氧反应催化活性，并且有必要研究其析氢和氧还原性能以改善催化活性多功能特点，降低生产应用成本(Xiao,H.；Shin,H.；Goddard,W.A.SynergyBetweenFeandNiintheOptimalPerformanceof(Ni,Fe)OOHCatalystsfortheOxygenEvolutionReaction.PNAS2018,115,5872-5877)。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的镍铁氢氧化物电催化剂的析氧和析氢活性低的问题，提供了镍铁氢氧化物电催化剂以及制备方法与应用、自供能系统及其应用。该镍铁氢氧化物电催化剂作为电解池电极时，具有优异的析氧反应催化活性和析氢反应催化活性，并能够作为电极用于自供能系统的锌空气电池，实现间歇性可再生能源的有效利用。为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种镍铁氢氧化物电催化剂的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：步骤1、将铁盐、含氟化合物和尿素溶于水中，搅拌得到均相溶液；步骤2、将泡沫镍浸渍于步骤1所述的均相溶液中，进行水热反应后，冷却、洗涤剂洗涤后得到所述镍铁氢氧化物电催化剂。优选地，步骤1的所述均相溶液中，所述铁盐的浓度为0.01-2mol/L，含氟化合物的浓度为0.05-5mol/L，尿素的浓度为0.05-4mol/L。更优选地，所述铁盐的浓度为0.02-1.5mol/L，含氟化合物的浓度为0.1-3mol/L，尿素的浓度为0.1-1mol/L。优选地，步骤1中，所述铁盐为Fe(NO3)3·9H2O和/或FeCl3·6H2O。优选地，步骤2中，所述泡沫镍为片状；所述洗涤剂为去离子水和/或乙醇。更优选地，所述泡沫镍的厚度为1.6±0.6mm，面密度为350±25g/m2。更进一步优选地，所述泡沫镍与均相溶液的体积比为20-100:1，优选为30-40:1。优选地，步骤2中，所述水热反应的条件包括：水热温度为90-140℃，反应时间为3-10h。更优选地，水热温度为110-130℃，反应时间为5-8h。本专利技术第二方面提供一种由本专利技术的制备方法制得的镍铁氢氧化物电催化剂，其中，基于所述镍铁氢氧化物电催化剂的总重量，铁的含量为5-20wt％，镍的含量为10-60wt％，氧的含量为10-84.9wt％；氟的含量为0.1-10wt％。优选地，基于所述镍铁氢氧化物的总重量，铁的含量为10-15wt％，镍的含量为20-40wt％，氧的含量为40-60wt％；氟的含量为0.5-2wt％。本专利技术第三方面提供一种本专利技术所述的镍铁氢氧化物电催化剂的应用，其中，所述应用为锌空气电池和/或电解池。本专利技术第四方面提供一种自供能系统，其中，所述系统包括：摩擦纳米发电机，用于收集机械能并转化为电能；锌空气电池，用于存储电能，并提供至碱性电解池；和电解池，用于电解电解液，其中，所述锌空气电池的正极、电解池的电极为本专利技术所述的镍铁氢氧化物电催化剂。优选地，所述电解液的电极为活化的镍铁氢氧化物电催化剂。更优选地，所述活化为析氧活化或析氢活化。优选地，所述活化的步骤包括：对所述镍铁氢氧化物电催化剂进行析氧或析氢活化。优选地，所述析氧活化的条件包括：析氧活化过电位为0.25-0.65V，析氧活化时间为6-14h；优选地，析氧活化过电位0.35-0.5V，析氧活化时间为8-12h。优选地，所述析氢活化的条件包括：析氢活化过电位为-0.45至-0.05V，析氢活化时间为6-14h；优选地，析氢活化过电位-0.35至-0.15V，析氢活化时间为8-12h。本专利技术第五方面提供一种本专利技术所述的自供能系统的应用，其中，所述应用为电解水制H2、电解CO2制CO和电化学还原N2制NH3中的至少一种。通过上述技术方案，本专利技术所提供的镍铁氢氧化物电催化剂获得以下有益的效果：本专利技术所提供的镍铁氢氧化物电催化剂用于电解池中，通过施加阳极过电位原位活化后能够具有优异的析氧反应催化活性；通过施加阴极过电位原位活化后能够具有优异的析氢反应催化活性。本专利技术所提供的镍铁氢氧化物电催化剂能够用于锌空气电池，且所述锌空气电池能够与摩擦纳米发电机以及碱性电解池相配合而获得自供能系统，该系统能够将机械能转化为电能，并用于分解水以制备燃料电池的燃料氢气，实现了间歇性可再生能源的有效利用。本专利技术所提供的自供能系统还能够用于电催化CO2还原制备CO、电催化氮气合成NH3。所制得的CO、NH3能够作为燃料电池的燃料进行发电实现间歇性可再生能源的有效利用。附图说明图1(a)是实施例1所制备的镍铁氢氧化物电催化剂经过施加过电位为0.42V和-0.25V分别进行析氧和析氢活化10小时过程中，电流密度随时间的变化曲线；图1(b)是实施例1所制备的镍铁氢氧化物电催化剂与经活化后的镍铁氢氧化物电催化剂析氧和析氢活性比较；图2是以NiFe-OH/NF作为正极，锌片为负极组装的锌空气电池进行稳定性测试的电压随时间的变化曲线；图3是实施例5的电解池的电流密度随电压变化的曲线；图4(a)是旋转式摩擦纳米发电机结构示意图；图4(b)是自供能系统的电路示意图；图4(c)是自供能系统中锌空气电池在不同阶段电压随时间的变化；图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镍铁氢氧化物电催化剂的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：/n步骤1、将铁盐、含氟化合物和尿素溶于水中，搅拌得到均相溶液；/n步骤2、将泡沫镍浸渍于步骤1所述的均相溶液中，进行水热反应后，冷却、洗涤剂洗涤后得到所述镍铁氢氧化物电催化剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种镍铁氢氧化物电催化剂的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将铁盐、含氟化合物和尿素溶于水中，搅拌得到均相溶液；
步骤2、将泡沫镍浸渍于步骤1所述的均相溶液中，进行水热反应后，冷却、洗涤剂洗涤后得到所述镍铁氢氧化物电催化剂。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤1的所述均相溶液中，所述铁盐的浓度为0.01-2mol/L，含氟化合物的浓度为0.05-5mol/L，尿素的浓度为0.05-4mol/L；
优选地，所述铁盐的浓度为0.02-1.5mol/L，NH4F的浓度为0.1-3mol/L，尿素的浓度为0.1-1mol/L；
优选地，所述铁盐为Fe(NO3)3·9H2O和/或FeCl3·6H2O中的至少一种；
优选地，所述含氟化合物为NH4F和/或NaF。


3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，步骤2中，所述泡沫镍为片状；所述洗涤剂为去离子水和/或乙醇；
优选地，所述泡沫镍的厚度为1.6±0.6mm，面密度为350±25g/m2；
优选地，所述泡沫镍与均相溶液的体积比为20-100:1，优选为30-40:1；
优选地，所述水热反应的条件包括：水热温度为90-140℃，反应时间为3-10h；优选地，水热温度为110-130℃，反应时间为5-8h。


4.一种由权利要求1-3中任意一项所述的制备方法制得的镍铁氢氧化物电催化剂，其中，基于所述镍铁氢氧化物的总重量，铁的含量为5-20wt％，镍的含量为10-60wt％，氧的含量为10-84.9wt％，氟的含量为0.1-10wt...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙春文，孟晓义，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11