一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于电催化剂技术领域，涉及一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂及其制备方法与应用。所述电催化剂的微观形貌为纳米棒，所述纳米棒的直径为80

【技术实现步骤摘要】
一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂及其制备方法与应用，属于电催化剂


技术介绍

[0002]能源短缺和环境污染问题是21世纪以来人类社会发展所面临的两大难题，因此寻找洁净可再生能源及开发高效的能量储存和转换技术是当务之急。氢能作为一种新型绿色能源受到了研究者的广泛关注。在现有的制氢技术中，电解水制氢因具有绿色、氢纯度高和可持续等特点被认为是一种非常有吸引力的制氢方法。水电解过程包括两个半反应，即阴极上的析氢反应(HER)和阳极上的析氧反应(OER)，但在水的电催化分解过程中，HER和OER涉及多电子转移过程，而且两个反应过电位大、能耗高，因此开发高效的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)双功能电催化剂是电解水制氢技术的关键。贵金属铂和铱钌氧化物是目前性能最优的析氢反应和析氧反应催化剂，但其高成本制约了其规模化使用。另外，目前的研究主要集中在开发针对析氢反应或析氧反应的单功能催化剂，在实际应用中需设计两种不同类型的催化剂，这无疑增加了电解水设备的复杂性。因此，研发高活性、低成本的新型双功能电催化剂是实现高效电催化全解水的关键。
[0003]钼酸钴(CoMoO4)作为一种典型的过渡金属氧化物，具有晶体结构稳定、氧化还原能力强、导电性好等优点，在电催化分解水领域有着广阔的应用前景。但是，由于活性位点利用率低、循环周期寿命不长等因素的制约，很大程度上限制了其进一步的实际应用。通过掺杂、改变材料组成、形成缺陷等电子结构调控策略，能够优化钼酸钴材料的电子结构，提升催化剂的本征活性(参见：Journal of Materials Science,2020,55,6502
‑
6512)。
[0004]中国专利文献CN107715920A公开了一种ZIF
‑
67/钼酸钴电解水析氧电催化剂及其制备方法，钼酸钴与ZIF
‑
67的复合加快了电子转移速率，提高了催化剂析氧活性，但该专利技术仅仅涉及了催化剂的析氧性能，并没有开展该材料在析氢性能方面的研究；而且该催化剂材料具有较高的过电位，增加了体系能耗。因此，亟需通过优化CoMoO4的电子结构，研发一种具有高活性的双功能电催化剂来降低电解反应的过电位以实现低功耗、高效地制备氢气和氧气。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂及其制备方法与应用。本专利技术利用简单的水热法制备了一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂，Fe元素的引入有利于优化CoMoO4的电子结构，增加活性位点的暴露，使得所制备的铁掺杂钼酸钴电催化剂具有优异的HER和OER性能，且制备过程简单环保，适合批量生产。
[0006]术语说明：
[0007]室温：具有本领域技术人员公知的含义，指25
±
5℃。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]本专利技术提供一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂，所述电催化剂的微观形貌为纳米棒，所述纳米棒的直径为80
‑
200nm，比表面积为8
‑
27m
2 g
‑1；所述铁掺杂钼酸钴电催化剂中铁、钴、钼元素的摩尔比为x:(1
‑
x):1:4，0<x≤0.4。
[0010]根据本专利技术优选的，所述铁掺杂钼酸钴电催化剂在10mA cm
‑2的电流密度下为270
‑
370mV的HER过电位和130
‑
210mV dec
‑1的Tafel斜率，280
‑
400mV的OER过电位和39
‑
80mV dec
‑1的Tafel斜率。
[0011]本专利技术还提供上述铁掺杂钼酸钴电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)将钴盐和钼酸盐加入去离子水中，室温下磁力搅拌至完全溶解，然后加入铁盐得到反应液；将所述反应液进行水热反应，反应结束后将反应液自然冷却至室温；将所述反应液中的产物依次经过离心、洗涤、干燥，得到铁掺杂钼酸钴前驱体。
[0013](2)将步骤(1)制备的前驱体放置于敞口的坩埚中煅烧，然后冷却至室温后即得铁掺杂钼酸钴电催化剂。
[0014]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述钴盐为乙酸钴或六水合硝酸钴，钼酸盐为二水合钼酸钠或钼酸铵，铁盐为九水合硝酸铁或乙酸铁。
[0015]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述钴盐、铁盐、钼酸盐的摩尔比为(1
‑
x):x:1，0<x≤0.4。
[0016]根据本专利技术进一步优选的，步骤(1)所述反应液中钴盐的浓度为0.02
‑
0.033mol
·
L
‑1，铁盐的浓度为0
‑
0.013mol
·
L
‑1(不包含0)，钼酸盐的浓度为0.033mol
·
L
‑1。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述搅拌时间为30
‑
60min。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述水热反应的温度为100
‑
150℃，反应时间为10
‑
15h，去离子水的体积为30mL，反应容器材质为聚四氟乙烯的反应釜，因为其抗腐蚀性好，无有害物质溢出，减少污染，使用安全。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述洗涤方法：用去离子水和乙醇依次洗涤3次。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述干燥的条件：干燥温度为40
‑
60℃，干燥时间为10
‑
24h。
[0021]根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述煅烧的条件：在空气气氛中以1
‑
5℃min
‑1的升温速率升温至煅烧温度，煅烧温度为400
‑
500℃，煅烧时间为1
‑
2h。
[0022]本专利技术还提供上述双功能铁掺杂钼酸钴电催化剂在析氢反应和析氧反应中的应用。
[0023]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0024]1.本专利技术利用水热法制备了一种双功能铁掺杂钼酸钴电催化剂，因为铁的掺杂引入，优化了钴阳离子作为电催化活性中心的最佳电子结构，增加活性位点的暴露，从而增强材料的电催化活性，所制备的双功能电催化剂同时具有优异的HER和OER性能，在电催化领域应用前景良好。
[0025]2.本专利技术制备的双功能铁掺杂钼酸钴电催化剂与未掺杂铁的CoMoO4电催化剂相比，具有更大的比表面积，有利于HER和OER反应的进行。
[0026]3.本专利技术制备的双功能铁掺杂钼酸钴电催化剂在较少的用量(1L墨水中含20mg电
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂，其特征在于，所述铁掺杂钼酸钴电催化剂中铁、钴、钼、氧元素的摩尔比为x:(1
‑
x):1:4，0<x≤0.4。2.根据权利要求1所述的一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂，其特征在于，所述x＝0.1、0.2、0.25、0.3或0.4。3.根据权利要求1所述的一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂，其特征在于，所述电催化剂的微观形貌为纳米棒，所述纳米棒的直径为80
‑
200nm，比表面积为8
‑
27m2g
‑1；优选的，所述铁掺杂钼酸钴电催化剂在10mA cm
‑2的电流密度下仅为270
‑
370mV的HER过电位和130
‑
210mV dec
‑1的Tafel斜率，280
‑
400mV的OER过电位和39
‑
80mV dec
‑1的Tafel斜率。4.如权利要求1所述的一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将钴盐和钼酸盐加入去离子水中，室温下磁力搅拌至完全溶解，然后加入铁盐得到反应液；将所述反应液进行水热反应，反应结束后将反应液自然冷却至室温；将所述反应液中的产物依次经过离心、洗涤、干燥，得到铁掺杂钼酸钴前驱体；(2)将步骤(1)制备的前驱体放置于敞口的坩埚中煅烧，然后冷却至室温后即得铁掺杂钼酸钴电催化剂。5.根据权利要求4所述的一种用于HER/OER双功能的铁掺杂钼酸钴电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述钴盐为乙酸钴或六水合硝酸钴，钼酸盐为二水合钼酸钠或钼酸铵，铁盐为九水合硝酸铁或乙酸铁；优选的，步骤(1)中所述钴盐、铁盐、钼酸盐的摩尔比为(1
‑
x):x:1，0&...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢启芳，刘梦雨，司聪慧，魏明志，郭恩言，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：