一种Ni-Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂、其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Ni

【技术实现步骤摘要】
一种Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂、其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂、其制备方法和应用，属于氢能源


技术介绍

[0002]氢气具有超高的重量能量密度，是一种清洁燃料，只有在用于燃料电池发电或像天然气一样直接燃烧时才会释放水。通过水电解制氢，以水为原料，提供高纯度氢气，已成功商业化运营。当用于电解的电力来自可再生能源时，例如太阳能，该过程可以将能量转化为氢键，从而有效地储存、运输和利用可再生能源。
[0003]尽管具有上述优点，但析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，简称OER)相对于析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，简称HER)，过程更为缓慢，需经历一个复杂的电质耦合过程，水电解效率受到很大阻碍。因此，迫切需要高效的OER电催化剂来改善动力学并在低过电位下驱动高电流密度。
[0004]目前，基于贵金属铱(Ir)和钌(Ru)的氧化物是实际电流密度下的基准OER催化剂，但高成本和低丰度阻碍了它们的广泛应用。而且，在碱性和中性条件，仍然需要大量的过电位。因此，非常需要进一步提高电催化剂的水氧化效率。为了取代目前使用的基准贵金属基OER电催化剂，开发丰富且低成本的过渡金属(例如Fe、Co、Ni)，制成高效、稳健的OER电催化剂具有重要意义。因此非贵金属氧化物催化剂，如镍(Ni)氧化物、钴(Co)氧化物、锰(Mn)氧化物和多阳离子钙钛矿也得到了广泛研究。尽管在开发基于地球丰富元素的OER电催化剂方面取得了极大的进展，仍然需要大量的过电位。因此，非常需要进一步提高地球上丰富的电催化剂的水氧化效率。
[0005]现有研究表明，Ni基电催化剂是最有前途的贵金属催化剂替代品，这是由于40％Fe掺杂的Ni氧化膜在碱性溶液中的OER活性比镍膜高两个数量级，比铁层高三个数量级。OER是由Fe
‑
Ni化合物中的Ni和Fe的掺入改变了Ni的氧化性能并进一步增强了其电催化活动。
[0006]过渡金属化合物中硼的存在对其OER性能产生了显着影响。与相应的Co氧化物相比，钴硼化物的周转频率显着提高。考虑到在过渡金属Ni基催化剂中加Fe和硼可显着提高OER性能，预计双金属Fe
‑
Ni硼化物为高效的OER催化剂。尽管基于过渡金属的电催化剂在碱性电解质中大多是稳定的，但人们非常希望它们在中性条件下也能很好地发挥作用。中性条件下的高效OER电催化是良性的，可以降低应用成本。然而，大多数报道的中性OER催化剂是钴基化合物。Fe掺杂硼化物作为OER催化剂在中性条件下的行为解决方案至今未见报道。
[0007]因此，有必要提供一种Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂、其制备方法和应用，以解决现有技术的不足。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的之一，是提供一种Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂的制备方法。
[0009]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1：镍泡沫的预处理；
[0011]步骤2：FeNi
‑
前体溶液的制备
[0012]将6mmol Ni(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O总量、5mmol氟化铵和12mmol尿素，溶于60mL去离子水中，得到FeNi
‑
前体溶液；其中，所述Ni(NO3)2·
6H2O和所述Fe(NO3)3·
9H2O的摩尔比为(1
‑
X)：X，X＝0
‑
1；
[0013]步骤3：(Fe
x
Ni1‑
x
)2B/NF的制备
[0014]将步骤2得到的FeNi
‑
前体溶液转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，再加入步骤1预处理后的镍泡沫，于140℃
‑
160℃下密闭反应4h
‑
6h，得到FeNi
‑
前体/NF；
[0015]将FeNi
‑
前体/NF和2.0g NaH2BO2·
H2O分别置于两个陶瓷舟中，再将两个陶瓷舟分别置于管式的两个不同位置，其中，所述NaH2BO2·
H2O位于气流上方，所述FeNi
‑
前体/NF位于气流下方，用氩气冲洗管式炉，在静态氩气气氛下，将管式炉中心程序升温，然后自然冷却至室温，即得到Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂。
[0016]本专利技术的Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂的制备方法的原理是：
[0017]本专利技术的步骤1中，将镍泡沫进行预处理，可以去除去除镍泡沫表面的氧化物。
[0018]本专利技术的步骤2中，得到了(Fe
x
Ni1‑
x
)2B的氢氧化物前体，同时为了便于X射线衍射(XRD)表征，用上述相同方法在镍箔上制造了硼化物。
[0019]本专利技术的步骤3中，将FeNi前体溶液和步骤1预处理后的镍泡沫在内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中密闭反应，用于FeNi体的水热生长。
[0020]此外，三维纳米结构阵列空气电极的设计，将催化剂直接原位生长在集流器(镍泡沫、碳布和不锈钢网等)表面，两者的接触界面存在化学键相互作用，极大地降低了界面电阻；阵列具有丰富的孔道结构，有利于氧气和电解液扩散到催化剂表面；相较于传统涂覆法制备电极，等量催化剂下，活性位的暴露数量更多，从而使得其析氧和氧还原反应的催化性能显著提高。
[0021]综上，本专利技术制备得到的Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂，在碱性和中性条件下，均具有优异的催化活性和良好的稳定性。
[0022]本专利技术的Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂的制备方法的有益效果是：
[0023]1、本专利技术制备得到的Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂，在碱性和中性条件下，均具有优异的催化活性和良好的稳定性。
[0024]2、本专利技术制备得到的双金属Ni
‑
Fe
‑
B纳米片阵列催化剂，颗粒粒径小，小于3.14nm，比表面积大，为0.289mg/cm2。
[0025]3、本专利技术的制备方法，操作容易，价格低廉，原料易得，市场前景广阔，适合规模化推广应用。
[0026]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0027]进一步，步骤1中，所述镍泡沫的预处理的方法是：先将镍泡沫浸泡于浓度为
10mol/L的盐酸中，超声波处理，取出后用去离子水清洗3
‑
5次，再浸泡于无水乙醇中，超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：镍泡沫的预处理；步骤2：FeNi
‑
前体溶液的制备将6mmol Ni(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O总量、5mmol氟化铵和12mmol尿素，溶于60mL去离子水中，得到FeNi
‑
前体溶液；其中，所述Ni(NO3)2·
6H2O和所述Fe(NO3)3·
9H2O的摩尔比为(1
‑
X)：X，X＝0
‑
1；步骤3：(Fe
x
Ni1‑
x
)2B/NF的制备将步骤2得到的FeNi
‑
前体溶液转移到内衬聚四氟乙烯的不锈钢高压釜中，再加入步骤1预处理后的镍泡沫，于140℃
‑
160℃下密闭反应4h
‑
6h，得到FeNi
‑
前体/NF；将FeNi
‑
前体/NF和2.0g NaH2BO2·
H2O分别置于两个陶瓷舟中，再将两个陶瓷舟分别置于管式的两个不同位置，其中，所述NaH2BO2·
H2O位于气流上方，所述FeNi
‑
前体/NF位于气流下方，用氩气冲洗管式炉，在静态氩气气氛下，将管式炉中心程序升温，然后自然冷却至室温，即得到Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂。2.根据权利要求1所述的Ni
‑
Fe双金属硼化物纳米片阵列催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述镍泡沫的预处理的方法是：先将镍泡沫浸泡于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世锋，
申请(专利权)人：西藏大学，
类型：发明
国别省市：