一种铁电Bi2Fe4O9纳米片催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁电Bi2Fe4O9纳米片催化剂的制备方法及其在电催化析氢反应中的应用。通过水热和煅烧的方法，调整铁电金属的d带中心，获得具有可切换铁电极化的Bi2Fe4O9纳米片状铁电材料，制备方法绿色、简单、经济，适合于工业化大规模生产。本发明专利技术制得的铁电Bi2Fe4O9纳米片为二维结构，原子利用率高以及表面积大，显示出丰富的活性中心，对氢的吸附能大、反应势垒低，对析氢反应显示出较高的催化活性，为铁电Bi2Fe4O9纳米片催化剂的发展开辟了一条新的应用领域。新的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种铁电Bi2Fe4O9纳米片催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于能源催化
，具体涉及一种铁电Bi2Fe4O9纳米片催化剂的制备方法，该铁电Bi2Fe4O9纳米片作为催化剂在催化电解水制氢反应方面展现出较高的催化活性。

技术介绍

[0002]具有强反转对称性和机械振动自发极化的铁电材料在外加电场的作用下会发生转变，在这个过程中会产生压电效应，从而诱导电催化行为。经过压电后的铁电材料可降低电解水制氢的过电势，促进氢气的产生。但在压电效应下，常见的铁电纳米催化剂如PbTiO3、BaTiO3等提供的电势不能达到水分解反应的临界吉布斯自由能阈值(1.23eV)。因此，需要设计和制造更有效的铁电催化剂。研究发现，除材料的化学成分外，其形态对性能也起着重要作用。金属材料的形态结构、化学成分和电子结构是通过控制其尺寸、形状和成分来有效提高相关催化性能的关键参数。本工作利用形貌工程和铁电极化对铁电催化性能的影响，采用水热法和煅烧法相结合制备出铁电Bi2Fe4O9纳米材料，它具有典型的2D纳米片形貌，并具有优异的铁电性能、简单的化学成分以及环境友好性。
[0003]在析氢反应(HER)过程中，铂催化剂等贵金属催化剂作为商业化的催化剂，显示出较高的动力学反应速率和稳定性。虽然贵金属催化剂如铂基电催化剂、钯基催化剂表现出优异的催化性能，但这些贵金属阴极电催化剂依旧存在成本高，活性低的缺点，这促使我们去探索更先进和更高效的析氢反应催化剂。2D纳米片可以有效地提高催化剂的比表面积和暴露活性位点数量。但是，目前对于铁电纳米片用于电催化的报道较少，这主要是因为铁电纳米催化剂在未经处理的条件下对于析氢反应具有较弱的活性和稳定性。因此，迫切需要一种简单有效的方法制备二维多孔易压电极化的铁电纳米电催化剂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种水热和煅烧结合制备铁电Bi2Fe4O9纳米片的方法。
[0005]针对上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种铁电Bi2Fe4O9纳米片的制备方法，其特征在于：将Bi(NO3)
·
5H2O，FeCl3·
6H2O加入乙二醇溶剂中，混合均匀，用NaOH调整溶液pH为10～11，于180℃条件下保温48小时，反应完后所得固体用去离子水离心洗涤、真空干燥。所得黑色固体进一步在500℃下、空气气氛中煅烧2小时，即得Bi2Fe4O9纳米片。将0.05g Bi2Fe4O9纳米片均匀涂在电压为20kV，面积约3cm2的负极盘形铜电极上。两个电极之间的距离为1cm，持续时间为30分钟，获得一个极化样品。
[0006]上述制备方法中，所述Bi(NO3)
·
5H2O的浓度为1
‑
4mM，优选为2mM。
[0007]上述制备方法中，所述FeCl3·
6H2O的浓度为1
‑
4mM，优选为2mM。
[0008]上述制备方法中，所述混合液的pH范围为9
‑
12，优选为10。
[0009]上述制备方法中，所述第一步溶剂热反应的温度为140
‑
200℃，优选为180℃。
[0010]上述制备方法中，所述第一步溶剂热反应的时间为40
‑
60h，优选为48h。
[0011]上述制备方法中，所述第二步煅烧的温度为400
‑
700℃，优选为500℃。
[0012]上述制备方法中，所述第二步溶煅烧的时间为1.5
‑
5℃，优选为2℃。
[0013]本专利技术的有益效果如下：
[0014]1、与其他化学法比较，本专利技术制备方法简单，反应在密闭容器中进行，所需条件更安全，且产率高，很容易扩大生产。其次所得材料为二维多孔铁电Bi2Fe4O9纳米片，铁电Bi2Fe4O9纳米片的孔径为2～50nm之间，其对析氢反应活性有明显提高。
[0015]2、本专利技术铁电Bi2Fe4O9纳米材料作为析氢反应的电催化剂，不仅解决了商业Pt/C稳定性差的问题，同时避免使用贵金属降低了反应的成本，具有较高的析氢催化活性及稳定性。
附图说明
[0016]图1是实施例1制备的铁电Bi2Fe4O9纳米材料的XRD图片。
[0017]图2是实施例1制备的铁电Bi2Fe4O9纳米材料的TEM照片。
[0018]图3是实施例1制备的铁电Bi2Fe4O9纳米材料的AFM照片。
[0019]图4是实施例1制备的铁电Bi2Fe4O9纳米材料的BET照片。
[0020]图5是实施例1制备的铁电Bi2Fe4O9纳米材料与商业化Pt/C催化剂电催化析氢反应的极化曲线图。
[0021]图6是实施例1制备的铁电Bi2Fe4O9纳米材料与商业Pt/C在1M KOH溶液中的稳定性对比图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不仅限于这些实施例。
[0023]实施例1
[0024]将Bi(NO3)
·
5H2O，FeCl3·
6H2O加入乙二醇溶剂中，混合均匀，用NaOH调整溶液pH为10～11，于180℃条件下保温48小时，反应完后所得固体用去离子水离心洗涤、真空干燥。所得黑色固体进一步在500℃下、空气气氛中煅烧2小时，即得Bi2Fe4O9纳米片。将0.05g Bi2Fe4O9纳米片均匀涂在电压为20kV，面积约3cm2的负极盘形铜电极上。两个电极之间的距离为1cm，持续时间为30分钟，获得一个极化样品。由图1可见，所得产物为Bi2Fe4O9，极化不改变物质的晶体结构。由图2可见，所得产品为纳米级的片状结构。通过图3的原子力显微镜图可以看出Bi2Fe4O9纳米片的厚度，图4的BET孔径图则说明Bi2Fe4O9纳米片的孔为介孔。
[0025]实施例2
[0026]将Bi(NO3)
·
5H2O加入乙二醇溶剂中，混合均匀，所得混合液中加入FeCl3·
6H2O溶液，然后调PH至10～11，在强碱性条件下160℃水热48h，反应完后用去离子水离心洗涤、真空干燥，得到Bi2Fe4O9前驱体。后在空气中500℃煅烧2h，得Bi2Fe4O9纳米片。
[0027]实施例3
[0028]将Bi(NO3)
·
5H2O加入乙二醇溶剂中，混合均匀，所得混合液中加入FeCl3·
6H2O溶液，然后调PH至10～11，在强碱性条件下180℃水热48h，反应完后用去离子水离心洗涤、真空干燥，得到Bi2Fe4O9前驱体。后在空气中400℃煅烧2h，得Bi2Fe4O9纳米片。
[0029]实施例4
[0030]铁电Bi2Fe4O9纳米材料作为电催化剂在析氢反应中的应用
[0031]分别将4mg实施例1得到的铁电Bi2Fe4O9纳米材料与400μL异丙醇、1600μL去离子水、100μL萘酚配制成溶液，然后取4μL溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁电Bi2Fe4O9纳米片催化剂的制备方法，其特征在于：将Bi(NO3)
·
5H2O，FeCl3·
6H2O加入乙二醇溶剂中，混合均匀，用NaOH调整溶液pH为10～11，于180℃条件下保温48小时，反应完后所得固体用去离子水离心洗涤、真空干燥。所得黑色固体进一步在500℃下、空气气氛中煅烧2小时，即得Bi2Fe4O9纳米片。将0.05g Bi2Fe4O9纳米片均匀涂在电压为20kV，面积约3cm2的负极盘形铜电极上。两个电极之间的距离为1cm，持续时间为30分钟，获得一个极化样品。2.根据权利要求1所述的铁电Bi2Fe4O9纳米片的制备方法，其特征在于：所述Bi(NO3)
·
5H2O的浓度为1
‑
4mM。3.根据权利要求2所述的铁电Bi2Fe4O9纳米片的制备方法，其特征在于：所述FeCl3·
6H2O的浓度为1

【专利技术属性】
技术研发人员：徐广蕊，王净，林海峰，王磊，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：