一种镍铁基金属醇盐催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种镍铁基金属醇盐催化剂的制备方法，包括步骤一：将镍盐和铁盐溶解于包含异丙醇，甘油以及去离子水的第一混合溶液中得到第二混合溶液；步骤二：将所述第二混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬中，并持续搅拌30min至60min；步骤三：将所述聚四氟乙烯内衬转移到高压反应釜内，在200℃下反应12小时后冷却至室温，得到镍铁金属醇盐催化剂。本发明专利技术提供的镍铁基金属醇盐的制备方法，其在水热反应200℃下反应12小时的制备条件下，可以实现不同种类原料、不同镍铁元素比例的纳米级规则均匀形貌的镍铁基金属醇盐催化剂的制备，并且该镍铁基金属醇盐在析氧反应中在电流密度为10mA/cm2时的过电位可降低到215mV，可以极大减小在电解水制氢过程中的能源消耗。电解水制氢过程中的能源消耗。电解水制氢过程中的能源消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种镍铁基金属醇盐催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及析氧反应催化剂领域，尤其涉及一种镍铁基金属醇盐催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]能源一直是全球社会经济发展的驱动力，特别是可持续和清洁能源近年来越来越受到关注。在碳中和共识下，氢能作为清洁的可再生能源，是新一轮能源变革中的核心发展对象，在交通、化工、冶金等领域发挥着重要作用。氢能实现规模化应用的核心关键在于氢电转换，而电解水制氢就是规模化绿色产氢的有效策略。
[0003]析氧反应(oxygen evolution reaction,OER)是电解水制氢过程的瓶颈问题，因为其缓慢的反应动力学而需要高过电位。高效的催化剂可以有效地加快这一多步质子耦合和电子转移的复杂转化过程。目前，二氧化铱和二氧化钌等商用催化剂可以有效加速OER中复杂的四电子转移过程，但贵金属的高价格和稀缺性极大地抑制了其大规模应用的可能性。因此，开发和利用兼具高活性和长稳定性的非贵金属OER催化剂迫在眉睫。
[0004]到目前为止，镍铁基催化剂是目前碱性OER中最有效和最有前途的催化剂。镍和铁这两个金属位点就像两个“最佳搭档”，可以多种方式协同，而产生优异的性能。金属醇盐作为一种具有有机
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无机复合特性的纳米材料，具有金属离子化和形貌多样性的特点。然而，这类材料在OER催化剂中的研究和应用尚不多见，且其催化性能相比于商用催化剂还存在一定差距，特别是要获得形貌规则均匀，催化活性高的镍铁基金属醇盐，其合成条件在原料的选择，镍铁元素比例，温度时间等方面都有非常严格的要求，其阻碍了镍铁基金属醇盐催化剂的大规模应用。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种可控的镍铁基金属醇盐的制备方法，其原料可选择的空间大，镍铁元素比例可任意调整，得到的纳米材料形貌规则均匀。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种镍铁基金属醇盐催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、将镍盐和铁盐溶解于包含异丙醇，甘油以及去离子水的第一混合溶液中得到第二混合溶液；
[0008]其中，所述镍盐为六水合硝酸镍，六水合氯化镍，硫酸镍，乙酸镍或其任意组合；所述铁盐为九水合硝酸铁，六水合氯化铁，硫酸铁，乙酸铁或其任意组合；所述镍盐和铁盐的总摩尔与所述第一混合溶液的体积比为1:151mmol/mL至1:102mmol/mL；所述第一混合溶液中所述异丙醇，甘油以及去离子水的体积比为45:5:1至60:7.5:3；
[0009]步骤二、将所述第二混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬中，并持续搅拌30min至60min；
[0010]步骤三、将所述聚四氟乙烯内衬转移到高压反应釜内，在200℃下反应12小时后冷
却至室温，得到镍铁金属醇盐催化剂。
[0011]优选地，所述镍盐与所述铁盐的摩尔比为1:3至3:1。
[0012]优选地，所述镍盐与所述铁盐的摩尔比为1:3，1:1或3:1。
[0013]进一步地，所述制备方法还包括步骤四：将所述镍铁金属醇盐催化剂用无水乙醇清洗多次后烘干，优选在60℃的烘箱中干燥24小时。
[0014]优选地，所述镍盐为六水合硝酸镍，所述铁盐为九水合硝酸铁。
[0015]优选地，所述镍盐为六水合氯化镍，所述铁盐为六水合氯化铁。
[0016]优选地，所述镍盐为硫酸镍，所述铁盐为硫酸铁。
[0017]优选地，所述镍盐为乙酸镍，所述铁盐为乙酸铁。
[0018]优选地，所述搅拌为磁力转子搅拌，转速优选600rpm至1000rpm。
[0019]本专利技术还提供一种由上述制备方法制备得到的镍铁基金属醇盐催化剂。
[0020]本专利技术还提供一种上述镍铁基金属醇盐催化剂在析氧反应中的应用。
[0021]本专利技术至少具备以下技术效果：
[0022]1.本专利技术提供了一种可控的镍铁基金属醇盐的制备方法，其在水热反应200℃下反应12小时的制备条件下，可以实现不同种类原料、不同镍铁元素比例的纳米级规则均匀形貌的镍铁基金属醇盐催化剂的制备，为镍铁基金属醇盐催化剂在析氧反应(OER)催化中的应用奠定了基础。
[0023]2.通过本专利技术的制备方法得到的镍铁基金属醇盐，其具有非晶结构，能暴露出更多的活性位点，也更有利于传质，其在OER中在电流密度为10mA/cm2时的过电位可降低到215mV，具有优异的OER催化性能，可以极大减小在电解水制氢过程中的能源消耗。
[0024]以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。
附图说明
[0025]图1是本专利技术的一个较佳实施例的镍铁基金属醇盐的X射线衍射图；
[0026]图2是本专利技术的一个较佳实施例的镍铁基金属醇盐的FTIR图；
[0027]图3是本专利技术的一个较佳实施例的镍铁基金属醇盐的扫描电镜图(左图)和透射电镜图(右图)；
[0028]图4是本专利技术的一个较佳实施例的镍铁基金属醇盐和商用二氧化铱在0.1mol/L的KOH中测得的析氧反应曲线；
[0029]图5是本专利技术的一个较佳实施例的镍铁基金属醇盐在0.1mol/L的KOH中稳定性测试图；
[0030]图6是对比例3的镍铁基金属醇盐的扫描电镜图；
[0031]图7是对比例4的镍铁基金属醇盐的扫描电镜图；
[0032]图8是对比例5的镍铁基金属醇盐的扫描电镜图。
具体实施方式
[0033]以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限
于文中提到的实施例。
[0034]实施例1：
[0035]将0.375mmol的六水合硝酸镍和0.125mmol的九水合硝酸铁均匀溶解于52.5毫升异丙醇，7.5毫升甘油和1毫升去离子水的混合溶液中，加入磁力转子进行搅拌，将溶液搅拌至溶解形成均一分散液后，倒入100毫升的聚四氟乙烯内衬中，并以800rpm的转速持续搅拌约40分钟。将聚四氟乙烯内衬转移到不锈钢高压反应釜中，将高压反应釜在200℃下反应12小时，冷却至室温后，将得到的镍铁基金属醇盐用无水乙醇清洗五次，在60℃的烘箱中干燥24小时。
[0036]图1为镍铁基金属醇盐的X射线衍射图，图2为镍铁基金属醇盐的FTIR图，图3为镍铁基金属醇盐的扫描电镜图(左图)和透射电镜图(右图)。由图1
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图3可知，得到的镍铁基金属醇盐其形貌为规则均匀的球形且无其他杂质。
[0037]析氧反应活性测试：
[0038]称取2.5毫克实施例1所得的镍铁基金属醇盐催化剂、1毫克纳米碳粉材料、10微升Nafion溶于740微升去离子水和250微升无水乙醇的混合溶液中，超声1小时，取10微升浆料滴涂在直径为4毫米的玻碳电极上，在室温下干燥30分钟。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍铁基金属醇盐催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将镍盐和铁盐溶解于包含异丙醇，甘油以及去离子水的第一混合溶液中得到第二混合溶液；其中，所述镍盐为六水合硝酸镍，六水合氯化镍，硫酸镍，乙酸镍或其任意组合；所述铁盐为九水合硝酸铁，六水合氯化铁，硫酸铁，乙酸铁或其任意组合；所述镍盐和铁盐的总摩尔与所述第一混合溶液的体积比为1:151mmol/mL至1:102mmol/mL；所述第一混合溶液中所述异丙醇，甘油以及去离子水的体积比为45:5:1至60:7.5:3；步骤二、将所述第二混合溶液倒入聚四氟乙烯内衬中，并持续搅拌30min至60min；步骤三、将所述聚四氟乙烯内衬转移到高压反应釜内，在200℃下反应12小时后冷却至室温，得到镍铁金属醇盐催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍盐与所述铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹建新，张赛航，种丽娜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：