一种选择性构筑多级异质结构电催化剂的自动化方法技术

本发明专利技术公开了一种选择性构筑多级异质结构电催化剂的方法，所述多级异质结构电催化剂为含铁层状双氢氧化物，所述多级异质结构电催化剂包括含铁层状双氢氧化物，所述含铁层状双氢氧化物包括NiFe纳米片、导电基底；所述导电基底负载有FeW合金层；所述NiFe纳米片包裹在所述导电基底表面；所述NiFe纳米片交错连接；该多级异质结构电催化剂具有良好的导电性，电催化剂的多级异质层与高活性表面具有协同促进作用，提高了其电催化性能的同时材料稳定性也大幅提高；该多级异质结构电催化剂的制备方法巧妙地在FeW合金层表面构建高活性的NiFe LDH，在提高其催化活性的同时，避免使用粘结剂。剂。

【技术实现步骤摘要】
一种选择性构筑多级异质结构电催化剂的自动化方法


[0001]本专利技术涉及电催化剂
，特别涉及一种选择性构筑多级异质结构电催化剂的自动化方法。

技术介绍

[0002]氢能作为一种很有前途的二次能源引起了许多研究者的兴趣，氢能是利用太阳能和风能获得的电能，通过水电催化得到的。对于水电催化，电催化剂是整体水裂解装置中最重要的核心部件之一，用于降低极化引起的过电位，从而提高能量传递效率。
[0003]与HER(Hydrogen evolution reaction，阴极析氢)相比，OER(Oxygen evolution reaction，阳极析氧)在水分解反应中是一个更耗能的过程，因为这个半反应涉及更复杂的多个质子/电子耦合步骤。有效的OER电催化对于水分解反应的整体效率是重要的，因此迫切需要具有足够催化活性和稳定性的析氧电极(或电催化剂)。到目前为止，IrO2和RuO2是基准的OER催化剂，因为它们的催化活性很高。然而，这些贵金属价格昂贵，储量低，供应不可持续，因此不适合大规模应用。因此，大量的研究工作致力于开发基于第一排过渡金属及其氧化物的低成本OER电催化剂，如磷酸铁复合材料、硼酸镍复合材料、氧化镍纳米颗粒和氧化钴薄膜，这些催化剂表现出良好的OER活性，同时显著降低了制造成本。在这些催化剂中，镍基和铁基复合材料已显示出作为OER活性催化剂的前景，通常需要300～450mV左右的过电位就能提供10mA cm
‑2的电流密度。NiFe的层状双金属氢氧化物(NiFe LDHs)因其低廉的成本、特殊的层状结构和可调的电子结构，具有很高的活性和稳定性被认为是碱性电解质溶液中最有前途的水裂解电催化剂之一。
[0004]相关专利中多级异质结构电催化剂，尤其是过渡金属基OER复合催化剂大多为粉末，在聚合物粘结剂(如Nafion)的帮助下将其涂层到导电衬底上。使用电绝缘粘结剂会减少电解液与催化活性中心之间的接触面积，恶化电极的导电性，导致电催化性能下降。电极的稳定性也较差，特别是在高电流密度和强析气条件下，胶粘式OER催化剂容易从衬底上剥离考虑到这些担忧，寻找新的低成本构建多级异质结构电催化剂对过渡金属衍生催化剂的未来发展至关重要。
[0005]目前广泛使用的多级异质结构电催化剂的制备方法有水热/溶剂热法、化学气相沉积法、微波辅助加热法等，但是这些方法制备的复合材料通常可重复性差，均匀性差，且高度团聚。如高温焙烧法、水热或溶剂热法，步骤复杂，反应条件苛刻，产生有毒废物，消耗大量能源。特别是一些复杂的、可控性较低的反应体系，很难重复生产出类似的电催化剂。
[0006]金属由于电极电位较低暴露在空气中很容易与大气中的水和氧气构成原电池，这会造成金属离子的溶解，同时材料表面容易形成锈迹，通常会给工业生产带来很大的危害。因此，为了防止这种反应的发生，人们采取了大量措施，如着色涂层、电化学保护、添加缓蚀剂。然而利用原电池的自发性来制备电催化剂的专利技术很少。实际上，金属表面微观区域发生的氧化还原反应过程产生的氧化物，通过合适的处理方式可以作为催化材料用于电化学反应。如何在制备有效的活性物种的同时避免锈迹的产生是技术的关键。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提供一种选择性构筑多级异质结构电催化剂的方法，该多级异质结构电催化剂具有良好的导电性，电催化剂的多级异质层与高活性表面具有协同促进作用，提高了其电催化性能的同时材料稳定性也大幅提高；该多级异质结构电催化剂的制备方法巧妙地在FeW合金层表面构建高活性的NiFe LDH，在提高其催化活性的同时，避免使用粘结剂。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：
[0009]本专利技术的第一个方面，提出了一种多级异质结构电催化剂，所述多级异质结构电催化剂包括含铁层状双氢氧化物，所述含铁层状双氢氧化物包括NiFe纳米片、导电基底；所述导电基底负载有FeW合金层；所述NiFe纳米片包裹在所述导电基底表面；所述NiFe纳米片交错连接。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，所述NiFe纳米片的厚度为5
‑
10nm；所述NiFe纳米片的尺寸约为500nm。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，所述导电基底上的FeW合金层的负载量为10
‑
15mg/cm2。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，所述导电基底包括泡沫镍、泡沫铜、钛毡、碳布中的至少一种。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，所述导电基底可以为预处理后的导电基底。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述预处理后的导电基底的预处理步骤具体为：将泡沫镍进行裁剪，分别用盐酸、去离子水、乙醇超声清洗，置于乙醇溶液中备用。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，所述FeW合金层中的金属W以掺杂形成存在。
[0016]本专利技术的第二个方面，提出了所述的多级异质结构电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0017]将负载有FeW合金层的导电基底浸入镍盐和氯盐混合溶液中反应，后处理，得多级异质结构电催化剂。
[0018]本专利技术通过在原电池环境中引入二价阳离子例如Ni
2+
，含铁层状双氢氧化物(LDHs)就可以在铁基材料表面上自发生成，而不是形成低活性的铁锈。此外，通过此方法生成的LDH以良好取向、晶界丰富的纳米片状阵列薄膜的形式存在，相互之间互相交错构成了多级异质结构电催化剂，这种微结构特征是有利于电化学反应的。这类的原电池反应通常发生在弱酸性或中性条件下，并有氧气的参与。
[0019]上述反应过程往往会在金属表面生成氢氧化物，可以作为电催化的活性物质。通过比较金属(EM)和氧(E
O2
)的标准电极电位值，可以估计原电池反应发生的可能性。当EM低于E
O2
时，反应可自发发生。E
O2
的值可以通过下式计算
[0020]E
O2
＝1.22
‑
0.0591*pH
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
[0021]Fe
→
Fe
2+
+2e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
[0022]Fe
2+
→
Fe
3+
+e
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式3
[0023]O2+2H2O+4e
‑
→
4OH
‑
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式4
[0024]Fe
3+
+Ni
2+
+OH
‑
+CO
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级异质结构电催化剂，其特征在于，所述多级异质结构电催化剂包括含铁层状双氢氧化物，所述含铁层状双氢氧化物包括NiFe纳米片、导电基底；所述导电基底负载有FeW合金层；所述NiFe纳米片包裹在所述导电基底表面；所述NiFe纳米片交错连接。2.根据权利要求1所述的多级异质结构电催化剂，其特征在于：所述NiFe纳米片的厚度为5
‑
10nm；所述NiFe纳米片的尺寸约为500nm。3.根据权利要求1所述的多级异质结构电催化剂，其特征在于：所述导电基底上的FeW合金层的负载量为10
‑
15mg/cm2。4.权利要求1～3任一项所述的多级异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将负载有FeW合金层的导电基底浸入镍盐和氯盐混合溶液中反应，后处理，得多级异质结构电催化剂。5.根据权利要求4所述的多级异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于：所述反应的温度为25℃
‑
80℃；所述反应的时间为1h
‑
12h。6.根据权利要求4所述的多级异质结构电催化剂的制备方法，其特征在于：所述镍盐包括硫酸镍、硝酸镍、氯化镍中的至少一种；所述镍盐的浓度为5g/L<...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦吉庆，石兆林，鲁统部，赵国栋，李炳蔚，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：