一种析氧反应催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种析氧反应催化剂及其制备方法。该析氧反应催化剂为铁和钼共掺杂的硫化镍

【技术实现步骤摘要】
一种析氧反应催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于电解水制氢
，尤其涉及一种析氧反应催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]电化学水分解是一种在温和条件下生产高纯度氢气的有前景的技术，该技术的大力发展对于建立环境友好的能源体系具有非常重要的意义。为了驱动电解水，需要高活性和高耐用的电催化剂来催化析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER)和析氧反应(Oxygen Evolution Reaction,OER)。
[0003]对于阴极的HER反应，Pt和Pt基纳米材料是目前最先进的高效电催化剂。对于阳极的OER反应，RuO2和IrO2及其复合材料通常具有优异的活性。但这些贵金属丰度低，成本高，极大地限制了其应用。尽管已经出现了多种非贵金属以及贵金属基催化剂，但仍需要进一步改进其性能，这是因为在阳极发生的四电子过程在动力学中较为缓慢，这极大阻碍了高效水分解的实现，也被称做是瓶颈半反应。因此，探索高效的非贵金属OER电催化剂对于降低活化障碍和加快反应，实现高能量转换效率非常重要。
[0004]目前，非贵金属基OER电催化剂多集中在过渡金属合金、氢氧化物、氧化物、硫化物、碳化物和含氮材料氧化物等，它们进行多金属复合掺杂调控得到了许多优异的电解水催化材料。其中，金属硫化物纳米材料因其本身硫原子的高电负性，能够吸收过渡金属中的电子，形成具有丰富的电子、光学、物理和化学性能可调性的低成本硫化物材料，在可再生能源方面有着大量的应用研究。这类材料主要以硫化钼、硫化钨这种类石墨层状结构材料和硫化铁、硫化钴、硫化镍等非层状的材料为主。然而这些材料仍面临许多困难，比如过电位较大、电流密度低、催化剂不稳定等，而这些直接导致经济损失和能源浪费。也有一些硫化物OER电催化剂短期稳定性良好，但在长期的电催化过程中是不稳定的，反应后容易转化为稳定的氧化物或氢氧化物，尤其在工业实际大电流密度反应时长期稳定性更加无法维持。
[0005]因此，现有技术得到的OER催化剂大多只能小电流下运行，材料的稳定性仍存在一些问题，尤其是在大电流反应下，很多金属硫化物虽然短期稳定性良好，但容易氧化，长期稳定性有待提高，且这也只能停留在实验室阶段。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的在于提供一种高电流密度下长期稳定运行的析氧反应催化剂。
[0007]本专利技术的一个进一步的目的在于进一步提高电流密度，且进一步提高长期运行稳定性。
[0008]特别地，本专利技术提供了一种析氧反应催化剂，所述析氧反应催化剂为铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料，其中，泡沫镍为基底材料；
[0009]所述铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料的微观结构为上下两层的双层结构，下层结构为针状或棒状纳米阵列结构，上层结构为分层的多裂纹结构；
[0010]所述下层结构的材料为硫化镍
‑
泡沫镍材料，所述上层结构的材料包括铁元素和钼元素。
[0011]可选地，所述铁元素为大于或等于三价态，所述钼元素为六价态。
[0012]可选地，所述上层结构中至少部分的裂纹处暴露出所述针状或棒状纳米阵列结构的顶部。
[0013]可选地，所述铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料中铁元素和钼元素的摩尔比为范围在1:1
‑
5中任一值。
[0014]特别地，本专利技术提供了一种如前述的析氧反应催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0015]提供泡沫镍；
[0016]利用水热法在所述泡沫镍上进行原位硫化，得到硫化镍
‑
泡沫镍材料；
[0017]利用水热法在所述硫化镍
‑
泡沫镍材料上掺杂铁元素和钼元素，得到铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料。
[0018]可选地，所述利用水热法在所述硫化镍
‑
泡沫镍材料上掺杂铁元素和钼元素，得到铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料的步骤中，所述水热法中铁源选择为三价铁无机盐；
[0019]所述水热法中钼源选择为钼酸盐或磷钼酸；
[0020]可选地，所述钼酸盐为钼酸钠或钼酸铵。
[0021]可选地，所述利用水热法在所述硫化镍
‑
泡沫镍材料上掺杂铁元素和钼元素，得到铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料的步骤中，所述水热法中铁源和钼源的摩尔比为范围在1:1
‑
5中任一值。
[0022]可选地，所述利用水热法在所述泡沫镍上进行原位硫化，得到硫化镍
‑
泡沫镍材料的步骤中，所述水热法中硫化原料包括硫化钠、甲脒、硫代乙酰胺或硫代硫酸钠。
[0023]可选地，所述利用水热法在所述泡沫镍上进行原位硫化，得到硫化镍
‑
泡沫镍材料的步骤中，所述水热法的反应条件为以1
‑
5℃/min的升温速率从室温25℃升温至90
‑
210℃，之后在90
‑
210℃的其中一个温度下保温4
‑
12h。
[0024]可选地，所述利用水热法在所述硫化镍
‑
泡沫镍材料上掺杂铁元素和钼元素，得到铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料的步骤中，所述水热法的反应条件为以1
‑
5℃/min的升温速率从室温25℃升温至90
‑
210℃，之后在90
‑
210℃的其中一个温度下保温4
‑
12h。
[0025]根据本专利技术的方案，铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料作为析氧反应催化剂，并且，其微观结构为上下两层的双层结构，下层结构为针状或棒状纳米阵列结构，上层结构为分层的多裂纹结构，下层结构的材料为硫化镍
‑
泡沫镍材料，上层结构的材料包括铁元素和钼元素。由于下层结构为针状或棒状纳米阵列结构，从而比表面积较大，使得下层结构中铁和钼的活性位点较多，从而有利于电解水过程中电子的传输速率，进一步提高产生气泡的吸脱附过程，这也是大电流下材料性能优异的原因，实验验证该析氧反应催化剂在1000mA
·
cm
‑2下只需要284mV的过电位。并且，通过双金属掺杂，且与硫化镍
‑
泡沫镍材料协同作用，从而使得材料具有极高的稳定性，可以在1000mA
·
cm
‑2大电流工作条件下稳定工作运行2000小时以上(由于实验仅测试了2000小时，2000小时内都是稳定的，所以可以预见肯定可以稳定运行2000小时以上)。
[0026]进一步地，铁元素的价态大于三价，钼元素的价态大于六价，这高于正常价态的材料种类有利于析氧反应进程，可以最大限度提高电解水过程中电子的传输速率，进而最大
限度提高材料性能，提高大电流下的运行稳定性。
[0027]根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种析氧反应催化剂，其特征在于，所述析氧反应催化剂为铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料，其中，泡沫镍为基底材料；所述铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料的微观结构为上下两层的双层结构，下层结构为针状或棒状纳米阵列结构，上层结构为分层的多裂纹结构；所述下层结构的材料为硫化镍
‑
泡沫镍材料，所述上层结构的材料包括铁元素和钼元素。2.根据权利要求1所述的析氧反应催化剂，其特征在于，所述铁元素为大于或等于三价态，所述钼元素为六价态。3.根据权利要求1或2所述的析氧反应催化剂，其特征在于，所述上层结构中至少部分的裂纹处暴露出所述针状或棒状纳米阵列结构的顶部。4.根据权利要求3所述的析氧反应催化剂，其特征在于，所述铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料中铁元素和钼元素的摩尔比为范围在1:1
‑
5中任一值。5.一种如权利要求1
‑
4中任一项所述的析氧反应催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供泡沫镍；利用水热法在所述泡沫镍上进行原位硫化，得到硫化镍
‑
泡沫镍材料；利用水热法在所述硫化镍
‑
泡沫镍材料上掺杂铁元素和钼元素，得到铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述利用水热法在所述硫化镍
‑
泡沫镍材料上掺杂铁元素和钼元素，得到铁和钼共掺杂的硫化镍
‑
泡沫镍材料的步骤中，所述水热法中铁源选择为三价铁无机盐；所述水热法中钼源选择为钼酸盐或磷钼酸；可...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟俊，冯勇，冯坤，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：