一种含锰-镍-铁三元金属电解水催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及新一代能源存储与催化技术领域，尤其涉及一种含锰

【技术实现步骤摘要】
一种含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及新一代能源存储与催化
，尤其涉及一种含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]氢气是国家低碳发展的重要清洁能源，故而高效、低成本且绿色的氢气制备路线是目前氢能源研究领域的主流方向和重要难题。电解水制氢，因其理论成熟、原料来源广泛且具有产氢纯度高的优势，成为今后氢气大规模绿色制造的重要途径。在电解水制氢过程中，其受限于阳极端的氧气析出反应(oxygen evolutionreaction,OER)的多电子转移步骤所需的较高能垒所导致的高能耗问题，而催化剂的引入则可有效促进其OER的反应动力学的快速进行，从而降低其能耗，实现低成本电解水制氢。因此，高效电解水阳极端催化剂的开发则是当前氢能研究中亟待突破的技术瓶颈。
[0003]过渡金属(如Mn、Ni、Fe)基材料，不仅具有较高的OER催化活性，还具有成本低、稳定性强等优点，因而可用于替代传统商用贵金属基电解水催化剂(如RuO2、IrO2等)。其中过渡金属元素之间的电子相互作用以及其界面构筑对复合材料局域电子态的优化重构，均有助于改善材料的本征催化活性，然而现有技术中针对含有三元过渡金属基结构的催化剂材料的设计和开发仍然不足。
[0004]基于此，本专利技术以Mn3O4‑
Ni的碳质材料为基底，并于其表面负载含铁的FeOOH组分，构筑了一种含锰、镍、铁三元金属且包含Mn3O4‑
Ni/C和FeOOH界面结构的复合材料Mn3O4‑
Ni/C@FeOOH，其在驱动碱性电解水阳极端催化反应过程表现出优良催化活性和长期稳定性，为实现低成本电解水制氢提供技术支撑。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种具有八面体几何构型，且含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂及其制备方法与应用，旨在通过三元金属之间的强相互电子作用及其界面诱导局域电子态调控，从而优化催化剂的整体催化活性，并实现低能耗电解水制氢。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供一种含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1：含锰
‑
镍前驱体的制备：
[0009]将锰盐、镍盐、月桂酸、均苯三甲酸和溶剂混合，得初始反应溶液，进行甲醇溶剂热反应，反应后经纯化，得含锰
‑
镍前驱体土黄色固体粉末Mn
‑
Ni MIL；
[0010]S2：锰
‑
镍/碳基底的制备：
[0011]将S1中制得的含锰
‑
镍前驱体粉末Mn
‑
Ni MIL，进行热处理，反应结束后自然降温，得含锰
‑
镍/碳组分的黑色固体粉末Mn3O4‑
Ni/C；
[0012]S3：含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂的制备：
[0013]将上述步骤S2所得含锰
‑
镍/碳粉末Mn3O4‑
Ni/C、七水合硫酸亚铁与去离子水混合，
加热反应，反应结束后，得到含锰
‑
镍
‑
铁三元金属的黑色固体粉末材料Mn3O4‑
Ni/C@FeOOH。
[0014]作为优选，步骤S1中，所述溶剂为甲醇。
[0015]作为优选，步骤S1中，所述锰盐为硝酸锰、硫酸锰、氯化锰和醋酸锰中的一种或多种，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍和醋酸镍中的一种或多种。
[0016]作为优选，步骤S1中，所述锰盐浓度为0.001～0.008mol/L，所述镍盐浓度为0.001～0.002mol/L，所述月桂酸浓度为0.05～0.15mol/L，所述均苯三甲酸浓度为0.01～0.03mol/L。
[0017]作为优选，步骤S1中，甲醇溶剂热反应的温度为100～150℃；步骤S2中，所述热处理的温度为400～600℃；步骤S3中，所述加热反应的温度为35～60℃。
[0018]作为优选，步骤S1中，甲醇溶剂热反应的时间≥1h；步骤S2中，所述热处理的时间≥1h；步骤S3中，所述加热反应的时间≥0.2h。
[0019]作为优选，步骤S3中，所述锰
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镍/碳粉末Mn3O4‑
Ni/C与七水合硫酸亚铁的质量比为1:4～1:1，所述七水合硫酸亚铁的浓度为0.05～2.5mg/mL。
[0020]本专利技术还提供了所述的含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂的制备方法制备得到的含锰
‑
镍
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铁三元金属电解水催化剂。
[0021]本专利技术还提供了所述的含锰
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镍
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铁三元金属电解水催化剂在驱动催化电解水反应中的应用。
[0022]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：
[0023]1)本专利技术采用一步溶剂热法制备初始前驱体，该方法涉及的制备工艺简单，原材料价格便宜，产物结构均匀、成品率高，且涉及的甲醇溶剂可回收反复利用，且其回收工艺简单，能耗低，适合大规模生产。
[0024]2)本专利技术制备的含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂，通过利用锰
‑
镍/碳基底与羟基氧化铁形成的界面耦合作用，以及碳质基底中双金属锰和镍的强电子相互作用，能够协同增强复合材料的OER催化活性，其中的稳定的碳质骨架还确保了催化剂的长期使用的稳定性。
[0025]3)本专利技术制备的含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂，具有纳米尺度上规则的八面体几何结构，其比表面积较大，有利于增强其活性位点的暴露程度，且有助于电解水非均相催化过程中电解液的充分接触和电荷快速迁移的功能。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0027]图1为本专利技术实施例1制备的Mn3O4‑
Ni/C@FeOOH及其前驱体Mn3O4‑
Ni/C的X
‑
射线衍射(XRD)图；
[0028]图2为本专利技术实施例1制备的Mn3O4‑
Ni/C@FeOOH在不同放大倍数下的扫描电镜(SEM)图，其中，a表示放大倍数为32K的扫描电镜图，b表示放大倍数为40K的扫描电镜图；
[0029]图3为本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含锰
‑
镍
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铁三元金属电解水催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：含锰
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镍前驱体的制备：将锰盐、镍盐、月桂酸、均苯三甲酸和溶剂混合，得初始反应溶液，进行甲醇溶剂热反应，反应后经纯化，得含锰
‑
镍前驱体土黄色固体粉末Mn
‑
Ni MIL；S2：锰
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镍/碳基底的制备：将S1中制得的含锰
‑
镍前驱体粉末Mn
‑
Ni MIL，进行热处理，反应结束后自然降温，得含锰
‑
镍/碳组分的黑色固体粉末Mn3O4‑
Ni/C；S3：含锰
‑
镍
‑
铁三元金属电解水催化剂的制备：将上述步骤S2所得含锰
‑
镍/碳粉末Mn3O4‑
Ni/C、七水合硫酸亚铁与去离子水混合，加热反应，反应结束后，得到含锰
‑
镍
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铁三元金属的黑色固体粉末材料Mn3O4‑
Ni/C@FeOOH。2.根据权利要求1所述的含锰
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镍
‑
铁三元金属电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述溶剂为甲醇。3.根据权利要求1所述的含锰
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镍
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铁三元金属电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述锰盐为硝酸锰、硫酸锰、氯化锰和醋酸锰中的一种或多种，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍和醋酸镍中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的含锰
‑
镍
‑
铁三元...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓腾，李增华，许德如，邹少浩，张健，徐智鹏，郭世超，曾皓轩，
申请(专利权)人：东华理工大学，
类型：发明
国别省市：