一种氟氧铁纳米材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种氟氧铁纳米材料及其制备方法与应用，所述氟氧铁纳米材料其包括氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料，所述氟氧化铁的分子式为：Fe

【技术实现步骤摘要】
一种氟氧铁纳米材料及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米材料
，尤其涉及一种氟氧铁纳米材料及其制备方法与应用。
技术介绍
高效的能源转换系统和能源储存系统中都离不开电催化剂，因为电催化剂在能量转换中能够起到加速反应速率、提高效率和选择性的作用。然而，目前的电催化剂研究是不充分、不完善的，我们面临的大挑战是开发具有增强性能的先进电催化剂。通常可以通过以下两种策略来对电催化剂材料的进行改性提高其催化反应活性：（1）增加工作电极上活性位点的数量，如通过纳米化处理催化剂材料使其形貌结构发生改变可以有效地增加催化材料的比表面积来增加活性位点暴露的数量；（2）提升活性位点的本征活性，如采用掺杂或引入相结构等。水分解过程中，包含了两个半反应：析氢反应和析氧反应。其中，析氢反应是两电子过程，而析氧反应是四电子过程。因此，跟析氢反应相比较，由于析氧反应的催化动力学较缓慢并且析氧较高的过电位严重阻碍了全水分解的总效率。因此，探索高性能的析氧电催化材料是目前迫切需要解决的问题。目前最先进的HER电催化剂为Pt基材料，贵金属氧化物（如IrO2和RuO2）被认为是碱性和酸性介质中水裂解的最佳OER（oxygenevolutionreaction，析氧反应）电催化剂。但其稀缺性和高成本阻碍了它们的广泛应用。因此，人们目前广泛的致力于研究开发非贵金属基电催化剂。氟基化合物作为一类很有前途的活性材料，其离子特性比硫化物、磷酸盐、氧化物和氮化物等其他常用材料具有一些优势，已成为人们研究的热点。然而，氟化物普遍导电性较差，FeF3也不例外。由Fe和F之间的大带隙导致FeF3的电子电导率较低，且FeF3的制备过程难以控制，限制了其在电化学领域的广泛应用。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种氟氧铁纳米材料及其制备方法与应用，该氟氧铁纳米材料具有较高的析氧电催化活性，可以高效催化水分解，全水分解的效率高。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种氟氧铁纳米材料，其包括氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料，所述氟氧化铁的分子式为：FexOyFz，其中，0.1≤x≤4；0.1≤y≤4；0.1≤z≤4；所述氟掺杂铁氧化物纳米材料包括氟掺杂的氧化亚铁、氟掺杂的三氧化二铁、氟掺杂的四氧化三铁或其中的至少两者的混合物、以及镍、硼、氮、磷其中一种或两种以上的元素跟氟掺杂的铁氧化物，比如氟镍掺杂的铁氧化物、氟硼掺杂的铁氧化物、氟氮的掺杂铁氧化物、氟磷的掺杂铁氧化物等。其中，所述氟镍掺杂的铁氧化物即为氟镍掺杂的铁的氧化物，氟硼掺杂的铁氧化物为氟硼掺杂的铁的氧化物，氟氮的掺杂铁氧化物即为氟氮的掺杂的铁氧化物。此技术方案中，采用与氟的离子半径相似的氧去取代氟化铁中的部分F，或者氟离子进行表面掺杂改性，有效地提升了材料的导电性。同时，氟氧化铁和氟掺杂铁氧化物纳米材料拥有较高的析氧电催化活性，可以有效地降低析氧电催化的过电位，从而提升全水分解的效率。作为本专利技术的进一步改进，所述氟氧化铁为FeOF或Fe2OF4。作为本专利技术的进一步改进，所述氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料为纳米颗粒状、纳米棒状、纳米片状或纳米菜花状。作为本专利技术的进一步改进，所述氟氧铁纳米材料为纳米棒，进一步的，所述氟氧铁纳米材料为氟氧化铁纳米棒。进一步优选的，所述氟氧化铁纳米棒呈现中间宽两头尖的形貌，中间直径约为100nm，长度约为600nm，长径比约为6。纳米棒以单根分散的形式存在，有利于其在电催化、储能器件等方面的应用。作为本专利技术的进一步改进，所述氟氧铁纳米材料包括氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物的羟基衍生物。氟氧化铁纳米材料在电催化过程中，会转化为氟掺杂的铁氧化物，在水性电解质中，氟氧化铁和氟掺杂铁氧化物纳米材料的表面会形成羟基；氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物的羟基衍生物也具有电催化的效果。本专利技术公开了如上任意一项所述的氟氧铁纳米材料的制备方法，其包括以下步骤：将含氟物质、含铁物质、和/或同时含氟和铁的物质、以及辅料加入到水或醇溶剂中，混合均匀得到混合液体，再将其置于反应釜中进行水热或溶剂热反应，反应一定时间后经过分离、洗涤、干燥得到氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料。其中，当有含氟物质、含铁物质时，可以含有或不含有同时含氟和铁的物质，当含有同时含氟和铁的物质，可以含有或不含有含氟物质、含铁物质中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述含氟物质包括氟化锂、氟化钠、氟化钾、氟化铷、氟化铵、氟化银、氟化钙、氟化镍、氟化锌、氟化钴中的至少一种。进一步优选的，所述含氟物质为氟化钾、氟化镍中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述含铁物质包括醋酸铁、醋酸亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、氯化铁、氯化亚铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁中的至少一种。进一步优选的，所述含铁物质为醋酸铁、氯化铁中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述同时含氟和铁的物质包括无水氟化铁、三水氟化铁、氟化亚铁中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述辅料包括氢氧化钠、三乙醇胺、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯腈（PAN）、聚氨酯类聚合物、聚丙烯酸类聚合物、有机胺、有机碱、有机酸中的至少一种。进一步优选的，所述辅料为PVP和有机胺中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述醇包括三乙醇胺、乙二醇、异丙醇、正丙醇、丙二醇、丙三醇、正丁醇、丁二醇、正戊醇、戊二醇、正己醇、己二醇中的至少一种。进一步优选的，所述醇为异丙醇和正丙醇中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述混合液体中，含氟物质、含铁物质、同时含氟和铁的物质、辅料、醇的质量百分浓度分别为：0~20%、0~25%、0~50%、0~5%、35~99.5%。其中，所述含氟和铁的物质的质量百分浓度为0时，所述含氟物质、含铁物质的质量百分浓度不为0；所述含氟和铁的物质的质量百分浓度不为0时，所述含氟物质、含铁物质的质量百分浓度为0或至少一个不为0。作为本专利技术的进一步改进，所述水热或溶剂热反应温度为50-400℃，反应时间为0.1-100h。作为本专利技术的进一步改进，所述干燥的温度为30-300℃，时间为0.1-100h。作为本专利技术的进一步改进，所述混合液体中包含无水氟化铁和三水氟化铁。作为本专利技术的进一步改进，以氟化铁和正丙醇为原料，通过溶剂热反应制备FexOyFz，期间通过合理控制氟化铁的质量与正丙醇的体积之比（mg/mL）、溶剂热反应的温度及时间等条件，使最终制备的FexOyFz呈尺寸均匀的纳米形貌。本专利技术公开了如上所述的氟氧铁纳米材料的另一种制备方法，在导电基底上原位制备铁氧化物，然后利用原子交换法用氟取代氧化铁中的部分氧原子、或者在氧化铁的表面进行氟离子掺杂得到。其中，所述铁氧化物，也可以通过空气锻烧铁金属、对铁基前驱体进行热处理得到的铁的氧化物比如FeO、Fe2O3和Fe3O4等。作为本专利技术的进一步改进，所述导电基底为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氟氧铁纳米材料，其特征在于：其包括氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料，/n所述氟氧化铁的分子式为：Fe

【技术特征摘要】
1.一种氟氧铁纳米材料，其特征在于：其包括氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料，
所述氟氧化铁的分子式为：FexOyFz，其中，0.1≤x≤4；0.1≤y≤4；0.1≤z≤4；
所述氟掺杂铁氧化物纳米材料包括氟掺杂的氧化亚铁、氟掺杂的三氧化二铁、氟掺杂的四氧化三铁或其中的至少两者的混合物、以及镍、硼、氮、磷其中一种或两种的以上元素跟氟掺杂的铁氧化物。


2.根据权利要求1所述的氟氧铁纳米材料，其特征在于：所述氟氧化铁为FeOF或Fe2OF4。


3.根据权利要求2所述的氟氧铁纳米材料，其特征在于：所述氟氧铁纳米材料为纳米颗粒状、纳米棒状、纳米片状或纳米菜花状。


4.根据权利要求1所述的氟氧铁纳米材料，其特征在于：其包括氟氧化铁的羟基衍生物和/或氟掺杂铁氧化物的羟基衍生物。


5.如权利要求1~3任意一项所述的氟氧铁纳米材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：将含氟物质、含铁物质、和/或同时含氟和铁的物质、以及辅料加入到水或醇溶剂中，混合均匀得到混合液体，再将其置于反应釜中进行水热或溶剂热反应，反应后经过分离、洗涤、干燥得到氟氧化铁和/或氟掺杂铁氧化物纳米材料。


6.根据权利要求5所述的氟氧铁纳米材料的制备方法，其特征在于：所述混合液体中，含氟物质、含铁物质、同时含氟和铁的物质、辅料、醇的质量百分浓度分别为：0~20%、0~25%、0~50%、0~5%、35~99.5%；其中，所述含氟和铁的物质的质量百分浓度为0时，所述含氟物质、含铁物质的质量百分浓度不为0；所述含氟和铁的物质的质量百分浓度不为0时，所述含氟物质、含铁物质的质量百分浓度为0或至少一个不为0；<...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱业君，张高玮，李子依，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：广东;44