一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料及其制备方法与应用。本发明专利技术制备方法包括步骤：将硝酸钴和硝酸铁溶于乙醇和N,N

【技术实现步骤摘要】
一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料及其制备方法与应用，属于新能源材料及电催化析氧领域。

技术介绍

[0002]自十八世纪六十年代的第一次工业革命开始，人类对煤炭、石油、天然气的消耗日益严重，濒临消耗殆尽。化石燃料的使用虽然给当今的社会带来了重大的变革，但与此同时造成了地球生态环境的严重污染。因此，走可持续发展的道路是现在我们极力提倡的理念，而发展清洁能源，寻找传统能源的替代品成为当前科研人员迫在眉睫的任务和挑战。氢能具有高能量密度、清洁、高效的特点，被认为是未来化石燃料的潜在替代品之一。
[0003]电解水产氢是目前最为理想的产氢技术，这是由于电解水产氢的原料是水，原料资源丰富，并且在产氢过程中只需要消耗电能，不产生污染气体，最后产生的氢气纯度高并不需要进一步提纯。电解水是由阴极析氢(HER)和阳极析氧(OER)两个半反应组成，在标准反应条件下，理论上只需要1.23V的电压就能进行电解水反应。但由于在反应过程中存在一定的接触电阻和本征势垒，并且电解液也存在溶液电阻等，因此往往导致电解水实际需要的电压要高于理论电压。为了减少高于理论电压的这部分电压，达到节约能源的目的，需要在阴极和阳极分别负载析氢和析氧催化剂，以加速电解水反应的进行。相较于HER的两电子过程，OER是四电子转移过程，具有更高的能垒，需要更高的过电位才能进行OER过程，是电解水的限速步骤，严重影响其发展。因此要想大力发展电催化产氢技术，减少成本，首先要开发出高效稳定的OER催化剂，提高电解水阳极OER的性能和效率。
[0004]电催化水分解的效率主要受电催化剂的影响，所以开发高效的电催化剂是提高电解水效率的有效措施。目前贵金属，包括其合金、氧化物等，具有优异的OER性能，是最受科学家欢迎的研究对象。其中，钌(Ru)和铱(Ir)基材料被认为是最好的OER催化剂。然而由于其成本高以及储量低的问题，导致其无法大规模使用。因此开发价格低廉、储量丰富、高效、稳定的非贵金属基析氧电催化剂是目前研究的主要方向。
[0005]过渡金属磷化物因其具有丰富的活性位点、可调的组分结构以及优异的电导率而备受研究者的关注，被认为是一种有希望取代RuO2和IrO2的阳极析氧催化剂。目前，过渡金属磷化物在众多过渡金属基催化剂中表现出了优异的电催化性能。并且，双金属或多金属的协同效应在多项研究中被证明是有效提升材料电催化活性的手段。如，中国专利文献CN111533106A公开了一种含钴铁双金属橄榄石相电催化剂及其制备方法、应用。该电催化剂包括磷酸铁钴锂材料；所述磷酸铁钴锂材料中，钴与铁的摩尔比为(3～4)：1。该专利技术制备的电催化剂为含有Co
‑
Fe双金属的橄榄石型材料；但该催化剂在电流密度为10mA
·
cm
‑2下过电位为363mV，过电位较大，电催化析氧性能欠佳。
[0006]综上，亟需开发一种制备简单、价格低廉、过电位低、电子传输快、析氧性能优异的电催化剂用于电催化析氧领域。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料及其制备方法与应用，用于解决现有技术中电催化剂材料在电催化析氧反应中活性低、过电位大、电催化析氧性能欠佳、成本高等问题。本专利技术制备方法简单，价格低廉，所得催化剂材料在电催化析氧反应中活性高、电子传输快、过电位小、具有优异的电催化析氧性能。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料，所述电催化材料的微观形貌为：表面负载有纳米颗粒的纳米纤维。
[0010]根据本专利技术优选的，纳米纤维的直径为150
‑
200nm，长度为4
‑
10μm。
[0011]上述具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料的制备方法，包括步骤：
[0012](1)将硝酸钴和硝酸铁溶于乙醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，充分混合均匀，得到混合溶胶；然后经静电纺丝、干燥、煅烧，得到铁酸钴纳米纤维；
[0013](2)将铁酸钴纳米纤维与次磷酸钠分别单独置于管式炉内，铁酸钴纳米纤维置于管式炉内保护气体的出气口一侧，次磷酸钠置于管式炉内保护气体的进气口一侧；在保护气体气氛下，经煅烧得到具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料。
[0014]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，硝酸钴和硝酸铁的摩尔比为1:2。
[0015]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，乙醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，乙醇与N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为(3
‑
5):1，优选为4:1。
[0016]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，硝酸钴的摩尔量和混合液的体积比为0.01
‑
0.1mmol L
‑1。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与硝酸钴的质量比为1:(0.05
‑
0.2)。
[0018]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的重均分子量为100
‑
150万；最优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为130万。
[0019]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，静电纺丝条件为：温度为室温，电压为15
‑
25kV，湿度为20
‑
30％，接收距离为10
‑
30cm，推进速度为0.5
‑
1.5mL h
‑1。接收距离是指：静电纺丝针头到接收装置的垂直距离。
[0020]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，干燥温度为60
‑
80℃，干燥时间为8
‑
12h。
[0021]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，煅烧温度为400
‑
600℃，煅烧时间为60
‑
180min，升温速率为2
‑
5℃ min
‑1，煅烧气氛为空气。
[0022]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，铁酸钴纳米纤维和次磷酸钠的质量比为1:(10
‑
20)。
[0023]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，铁酸钴纳米纤维和次磷酸钠分别置于瓷舟中，然后将两个瓷舟置于管式炉内。
[0024]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，所述保护气体为氩气或者氮气。
[0025]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，将铁酸钴纳米纤维与次磷酸钠置于管式炉后，将管式炉进行抽真空，然后通入保护气体。
[0026]根据本专利技术优选的，步骤(2)中，在煅烧过程中，保护气体持续通入管式炉内；管式炉出气口端通过管道连接尾气吸收液，由管道排出至尾气吸收液的气体在尾气吸收液中所产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料，其特征在于，所述电催化材料的微观形貌为：表面负载有纳米颗粒的纳米纤维。2.根据权利要求1所述具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料，其特征在于，纳米纤维的直径为150
‑
200nm，长度为4
‑
10μm。3.如权利要求1或2任意一项所述具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料的制备方法，包括步骤：(1)将硝酸钴和硝酸铁溶于乙醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，充分混合均匀，得到混合溶胶；然后经静电纺丝、干燥、煅烧，得到铁酸钴纳米纤维；(2)将铁酸钴纳米纤维与次磷酸钠分别单独置于管式炉内，铁酸钴纳米纤维置于管式炉内保护气体的出气口一侧，次磷酸钠置于管式炉内保护气体的进气口一侧；在保护气体气氛下，经煅烧得到具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料。4.根据权利要求3所述具有一维形貌的钴铁双金属磷化物电催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，包括以下条件中的一项或多项：i、硝酸钴和硝酸铁的摩尔比为1:2；ii、乙醇和N,N
‑
二甲基甲酰胺的混合液中，乙醇与N,N
‑
二甲基甲酰胺的体积比为(3
‑
5):1，优选为4:1；iii、硝酸钴的摩尔量和混合液的体积比为0.01
‑
0.1mmol L
‑1；iv、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与硝酸钴的质量比为1:(0.05
‑
0.2)；v、所述聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的重均分子量为100
‑
150万；最优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为130万；vi、静电纺丝条件为：温度为室温，电压为15
‑
25kV，湿度为20
‑
30％，接收距离为10
‑
30cm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢启芳，张兴雨，王斯鸿，韩若婷，韩秀君，郭恩言，魏明志，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：