一种铈修饰的镍基催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种铈修饰的镍基催化剂及其制备方法与应用，该催化剂为负载有CeO2的Ni3N纳米片，其制备方法为，S1.以镍盐为原料，以导电基底作为载体，在结构导向剂的作用下，进行水热反应，得到氢氧化镍前驱体；S2.在含氮气氛下，将氢氧化镍前驱体进行煅烧，形成镍基催化剂材料；S3.将镍基催化剂材料置于含铈的电解液中，进行电沉积反应，即得铈修饰的镍基催化剂材料，可调节材料表面的活性位点数目及电子结构，具有低电阻、低能垒、高阳极催化性能及高稳定性的特性。及高稳定性的特性。及高稳定性的特性。

A cerium modified nickel based catalyst and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种铈修饰的镍基催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料
，尤其是涉及一种铈修饰的镍基催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]传统的化石燃料仍然是能源的主要提供对象，但是化石燃料的燃烧带来的环境问题严重影响了地球的环境，因此，科学家们致力于寻找可再生的清洁燃料来取代化石燃料，由于氢燃烧后的产物只有水，将氢作为汽车的能源可以杜绝尾气中二氧化碳的排放。为了合理高效地开发和利用氢能，氢能的生产和转换成为了近年来科学家们研究的热点问题。电催化分解水被认为是一种能够生产高纯度氢的最快速、最安全、最绿色的可持续方法，同时也被视为一种大规模储能的间接方式。
[0003]氢能作为二次能源，它的制取不但需要消耗大量的能量，而且制备的氢气效率很低，而电解水产氢由于可持续性和操作简易的特点，被认为是一种实用的无污染制氢方法，受到了广泛的关注。阴极上的析氢反应(HER)和阳极上的析氧反应(OER)的水电解对水转化为氢起着重要作用。通过催化剂的作用可有效的降低反应所需的过电势，从而提升产氢效率。
[0004]在电催化水分解反应中，常见催化剂由Pt、Ru、Ir贵金属及其合金和化合物组成，但成本高和自然稀缺性阻碍了更广泛的应用，因此亟需开发经济、稳定、高效的新型催化剂。近年来，随着电催化领域的快速出现，非贵金属催化剂如过渡金属硫族化物、氮化物、碳化物、硒化物、磷化物，为这一领域带来了新的机遇。
[0005]然而上述非金属催化剂在电催化水分解反应中，产氢效率常常受到阳极反应的较慢的动力学过程的限制，从而影响了整体的产氢效率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，提供一种铈修饰的镍基催化剂及其制备方法与应用，提升了电解水的效率。
[0007]为达到上述技术目的，本申请采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本申请提供一种铈修饰的镍基催化剂材料，其为负载有CeO2的Ni3N纳米片。
[0009]第二方面，本申请提供一种铈修饰的镍基催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1.以镍盐为原料，以导电基底作为载体，在结构导向剂的作用下，进行水热反应，得到氢氧化镍前驱体；
[0011]S2.在含氮气氛下，将氢氧化镍前驱体进行煅烧，形成镍基催化剂材料；
[0012]S3.将镍基催化剂材料置于含铈的电解液中，进行电沉积反应，即得铈修饰的镍基催化剂材料。
[0013]优选的，结构导向剂为尿素及氟化铵的混合物。
[0014]优选的，镍盐、尿素、氟化铵的摩尔比为1
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4:5
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10:2
‑
5。
[0015]优选的，镍盐包括硝酸镍、氯化镍、磷化镍、溴化镍、硫酸镍的一种或几种。
[0016]优选的，含铈的电解液包括硝酸铈溶液、氯化铈溶液、硫酸铈溶液中的一种或几种。
[0017]优选的，步骤S1中，水热反应的反应温度为90
‑
200℃，反应时间为4
‑
24h。
[0018]优选的，步骤S2中，煅烧的升温速率为1
‑
25℃/min，终温为150
‑
700℃，保温时间为20
‑
360min。
[0019]优选的，步骤S3中，电沉积反应的电压为0.05
‑
10V，反应时间为1
‑
30h。
[0020]第三方面，本申请提供一种铈修饰的镍基催化剂材料作为阳极电极在电催化析氧中的应用。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1.通过水热法、化学气相沉积以及电沉积技术结合，在氮化镍纳米片上沉积铈元素得到铈修饰的镍基催化剂材料，可调节材料表面的活性位点数目及电子结构，具有低电阻、低能垒、高阳极催化性能及高稳定性的特性；
[0023]2.本申请得到的铈修饰的镍基催化剂材料增加了析氧反应中的催化剂的活性及材料的电子传输性能，促进动力学过程的发生，提升电解水效率；
[0024]3.本申请的制备工艺简单、成本低廉，适用于大规模生产。
附图说明
[0025]图1为不同电催化材料的析氧极化曲线图。
[0026]图2为不同电催化材料的阻抗曲线图。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本专利技术保护的范围。
[0028]已为普遍意识到的是，非贵金属催化剂如过渡金属硫族化物、氮化物、碳化物、硒化物、磷化物可作为电催化水分解析氧反应的催化剂，但是由于这类催化剂材料能类垒较高、动力学反应过程慢，因此使得电解水的效率降低，而通过非金属的掺杂配合，能改善材料内部的电阻，降低阳极反应所需的能垒，以促进整个动力学过程及产氢过程的发生，特别是氮元素的存在，可对材料的晶格起到调节作用，可增大晶格的畸变程度，促进氢离子的吸附和剥离，降低反应能垒，使催化活性得到增强，电解水效率增高，基于此，创立了本申请。
[0029]本申请的实施例提供一种铈修饰的镍基催化剂材料，其为负载有CeO2的Ni3N纳米片，通过铈的修饰降低材料内部的电阻，降低阳极反应所需的能垒，从而促进整个动力学过程的发生，提升了电解水的催化性能。
[0030]在先技术人员对于镍基催化剂材料的修饰存在稳定性差的技术困难，因此负载的修饰材料少、易于脱落，也使得被修饰的镍基催化剂材料在电解水过程中效率有待提升，而本申请中，提供一种铈修饰的镍基催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：
[0031]S1.以镍盐为原料，以导电基底作为载体，在以尿素和氟化铵作为结构导向剂，进行水热反应，得到氢氧化镍前驱体；
[0032]S2.在含氮气氛下，将氢氧化镍前驱体进行煅烧，形成镍基催化剂材料即负载有氮化镍的导电基底；
[0033]S3.将镍基催化剂材料置于含铈的电解液中，进行电沉积反应，即得铈修饰的镍基催化剂材料。
[0034]上述方法中，镍盐通过水热法在高温高压的条件，经溶解及再结晶过程在导电基底上制得含氢氧化镍前驱体，再经化学气相沉积法使前驱体在氮气气氛中发生反应得到氮化镍纳米片，而电沉积技术则在电流的作用下使铈元素扩散至纳米片表面，与氮化镍相结合形成铈修饰的镍基催化剂材料。
[0035]本申请中，以尿素及氟化铵为结构导向剂，用于控制前驱体的形貌，形成不规则纳米片结构，并在高温高压的作用下沉降附着在导电基底上，在尿素和氟化铵的作用下保持纳米片形貌，形成氢氧化镍前驱体，氢氧化镍前驱体使纳米片结构更加稳定，更适合铈氧化物的生长与复合，提高了催化材料的稳定性，同时调节了材料表面的活性位点数目及电子结构，增加了析氧反应中的催化剂的活性，增强了材料的电子传输性能，因此电解水的效率得以提高。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铈修饰的镍基催化剂材料，其特征在于，其为负载有CeO2的Ni3N纳米片。2.一种如权利要求1所述的铈修饰的镍基催化剂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.以镍盐为原料，以导电基底作为载体，在结构导向剂的作用下，进行水热反应，得到氢氧化镍前驱体；S2.在含氮气氛下，将所述氢氧化镍前驱体进行煅烧，形成镍基催化剂材料；S3.将所述镍基催化剂材料置于含铈的电解液中，进行电沉积反应，即得所述铈修饰的镍基催化剂材料。3.根据权利要求2所述的铈修饰的镍基催化剂材料的制备方法，其特征在于，所述结构导向剂为尿素及氟化铵的混合物。4.根据权利要求3所述的铈修饰的镍基催化剂材料的制备方法，其特征在于，镍盐、尿素、氟化铵的摩尔比为1
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4:5
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10:2
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5。5.根据权利要求2所述的铈修饰的镍基催化剂材料的制备方法，其特征在于，所述镍盐包括氯化镍、硫酸镍、硝酸镍中的一种或几种。6.根据权利要求2所述的铈修饰的镍基...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭祥，熊礼威，邱云帆，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：