一种芳香酸插层氢氧化物催化剂制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种芳香酸插层氢氧化物复合材料的普适性制备方法及其高效电催化析氧应用，该复合材料由电化学沉积在碳纸表面的多羧基芳香酸插层氢氧化物构成，其表达式为NiFe

【技术实现步骤摘要】
一种芳香酸插层氢氧化物催化剂制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于新能源纳米材料合成及电化学
，具体的说，涉及一种高效的芳香酸插层氢氧化物电催化复合材料的合成及其应用。

技术介绍

[0002]大量化石燃料的燃烧给环境造成很大负担，能源和环境问题对社会可持续发展造成很大困扰。开发高效稳定的低成本析氧催化剂对于能量转换和存储技术具有重要的意义，尤其是水裂解、可充电金属空气电池和再生燃料电池的应用。然而，析氧反应涉及到四电子转移，其反应动力学缓慢，通常需要较高的过电位来克服反应能垒。传统的OER催化剂是以钌、铱及其氧化物为主的贵金属基催化剂。尽管贵金属基电催化剂的催化活性较高，但其储量稀少、工业应用成本高、稳定性差，严重制约了催化剂在工业生产中的大规模应用，这促使研究人员开发高效且低成本的电催化剂。层状双氢氧化物(LDHs)因其二维层状结构，多元阳离子配位和明确的拓扑结构在电解水领域受到广泛关注。然而，在电解水过程中，层状氢氧化物受其层状结构的限制，会发生不可避免的金属溶解和相分离，导致稳定性差。因此，对其层间结构设计可以有效的提高层状氢氧化物的电催化活性及稳定性。
[0003]通过插层设计，使具有特定结构的目标离子或分子基团进入层片结构，可以稳定金属中心、扩大层间距，从而影响层状氢氧化物的催化性能。绿色植物光系统II提供了一种特殊的氧演化机制，即蛋白质骨架氨基酸残基中的羧酸官能团的富电子特性可以有效的稳定Mn4CaO5团簇的高价态，同时作为质子转移中间体有利于提高氧演化动力学。受此启发，将具有羧基构型的芳香酸结构插入到层状氢氧化物层间结构，有望改变层板金属与层间客体之间的相互作用，从而同步提升层状氢氧化物的活性及稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种高效的芳香酸插层氢氧化物催化剂析氧复合材料合成及电催化应用，通过插层设计，实现了镍铁层状氢氧化物电子结构优化提高了催化剂在碱性OER过程中的活性及稳定性。
[0005]本专利技术针对层状氢氧化物电催化活性低、插层设计过程繁琐等问题，提供了一种简单的电化学原位沉积的方法，成功合成多种芳香酸插层氢氧化物复合纳米材料，并用于高效电催化分解水产氧气。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种高效的芳香酸插层氢氧化物催化剂析氧复合材料，所述析氧复合材料为具有二维结构和功能化芳香酸插层的层状氢氧化物，记为NiFe
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LDH(x
‑
COOH)。
[0008]另一方面，本专利技术还提供了该高效的芳香酸插层氢氧化物催化剂析氧复合材料的制备方法，主要的实施步骤如下：
[0009](1)碳纸的清洗处理；
[0010](2)电沉积溶液配制；
[0011]进一步地，上述高效的芳香酸插层氢氧化物催化剂析氧复合材料的具体制备方法如下：
[0012](1)碳纸处理方法如下：将碳纸在无水乙醇溶液中超声波清洗10～20分钟，去离子水冲洗后转移到丙酮溶液中继续超声清洗10～15分钟，以除去表面的油脂。将清洗后的碳纸在真空干燥箱中干燥2小时后备用。
[0013](2)电沉积溶液配制方法如下：将1.0～2.0g硝酸镍和0.5～1.0g硫酸亚铁溶解到5～30mL去离子水中，然后将0.05～0.2g芳香酸溶解到有5～10mL有机溶剂中充分搅拌，将上述溶液混合均匀，得到电沉积溶液；
[0014](3)芳香酸插层氢氧化物制备：将清洗干净的碳纸作为基底，采用三电极法进行恒压电化学沉积，沉积电压为
‑
0.5～
‑
1V，沉积时间为500～2000s，得到芳香酸插层氢氧化物复合材料，记为NiFe
‑
LDH(x
‑
COOH)。
[0015]所述步骤(2)中芳香酸为苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸、1,2,3
‑
苯三甲酸、1,2,4
‑
苯三甲酸、均苯三甲酸或均苯四甲酸等多羧酸芳香酸；所述步骤(2)中有机溶剂为DMF。
[0016]上述芳香酸插层氢氧化物复合材料在电解水方面的应用。芳香酸插层优化层状氢氧化物层板金属与层间客体之间的电子相互作用，稳定金属中心，芳香酸插层设计在析氧反应过程中作为质子受体促进析氧中间体吸附行为，在电催化反应之后仍稳定存在于层状氢氧化物的表面及层间。
[0017]本专利技术所述的芳香酸插层氢氧化物复合材料采用电化学沉积方法原位沉积的二维层转机构，具有二维结构特征。具有质子转移中心的多羧酸芳香酸插层设计可以有效的优化析氧反应路径，同时提高边缘和基面活性位点，稳定层板金属活性中心，因此具有高效的析氧反应活性，提高电解水性能。
[0018]本专利技术具有工艺简单，可控性强，重复性好等特点，通过电化学沉积法得到了具有稳定层板金属中心的插层结构层状氢氧化物复合催化材料，同时羧酸的质子耦合电子转移特性又提高了催化剂的析氧反应活性。本专利技术提供了一种简单高效的芳香酸插层氢氧化物复合材料制备方法，并作为一种高效的析氧反应电催化剂。
[0019]上述具有二维结构和功能化质子转移中心插层设计的芳香酸插层氢氧化物复合材料可用于电解水、燃料电池等能源储存与转化领域。
[0020]本专利技术可用于新型的电催化析氧催化剂，是符合新能源需求的新型电化学催化材料。
[0021]与现有的技术相比，本专利技术的优点和积极的效果是：
[0022]本专利技术通过简单的电化学沉积方法制备了具有二维结构和功能化质子转移中心插层设计的芳香酸插层氢氧化物复合材料，并将其应用于电催化领域，丰富了层状氢氧化物的合成制备技术，同时也极大的拓宽其商业应用价值。
附图说明
[0023]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0024]图1是实施例1制备的NiFe
‑
LDH(xCOOH)的X射线粉末衍射谱图；
[0025]图2是实施例1制备的NiFe
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LDH(COOH)的扫描电镜图片；
[0026]图3是实施例1制备的NiFe
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LDH(COOH)的X射线光电子能谱图；
[0027]图4是实施例1制备的NiFe
‑
LDH(xCOOH)复合材料的电催化析氧数据图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0029]实施例1：
[0030](1)碳纸处理方法如下：将碳纸在无水乙醇溶液中超声波清洗10～20分钟，去离子水冲洗后转移到丙酮溶液中继续超声清洗10～15分钟，以除去表面的油脂。将清洗后的碳纸在真空干燥箱中干燥2小时后备用。
[0031](2)电沉积溶液配制方法如下：以苯甲酸插层为例，将1.0～2.0g硝酸镍和0.5～1.0g硫酸亚铁溶解到5～30mL去离子水中，然后将0.05～0.2g苯甲酸溶解到有5～10mL有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效的芳香酸插层氢氧化物电催化复合材料，其特征在于：所述材料为原位生长于碳纸表面、层间具有芳香酸配位的层状氢氧化物，其表达式为NiFe
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LDH(x
‑
COOH)。2.一种权利要求1所述的羧基插层镍铁锂层状氢氧化物电催化析氧复合材料的制备方法，其特征在于包括了如下步骤：(1)将1.0～2.0g硝酸镍和0.5～1.0g硫酸亚铁溶解到5～30mL去离子水中，然后将0.05～0.2g芳香酸溶解到有5～10mL有机溶剂中充分搅拌，将上述溶液混...

【专利技术属性】
技术研发人员：林小靖，王兆杰，陈晓东，鲁效庆，刘思远，魏淑贤，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：