一种析氧电极及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种析氧电极及其制备方法和用途。所述析氧电极包括基底以及负载于所述基底上的稀土元素掺杂的镍铁磷化物。本发明专利技术采用稀土元素掺杂镍铁磷化物，降低了反应的能垒，提升了导电性能，促进了反应过程中电荷传递，加快了反应速率，从而得到了导电性良好且中间吸附能较低的析氧电极体系。中间吸附能较低的析氧电极体系。中间吸附能较低的析氧电极体系。

【技术实现步骤摘要】
一种析氧电极及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于电解水
，涉及一种析氧电极及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]近年来传统化石能源的枯竭现状以及环境污染问题使人们迫切地开发新型清洁可再生能源，氢能因来源广泛、清洁无污染、热值高等优势从众多新能源中脱颖而出，吸引了众多研究人员的目光。电催化水分解制氢技术是一种高效且环境友好的产氢途径，电解水包括两个半反应，阳极上的析氧反应及阴极上的析氢反应，其中，阳极上的析氧反应是一个四电子质子耦合过程，该半反应相对复杂，反应能垒高，反应动力学缓慢，因此成为了电催化水分解制氢技术的“瓶颈”。为了提高产氢效率，人们需要制备高效、稳定且成本低廉的析氧反应电极材料，加快总体产氢进程，使氢能替代传统化石能源成为可能。
[0003]目前优异的析氧反应电极材料为贵金属Ir和Ru基的纳米材料，如CN109126780A公开一种制备IrO2@Ir核壳结构电催化析氧反应催化剂的方法，包含以下步骤：材料的预处理；称量和分散；激光处理；退火。CN103157467A涉及一种Ru和/或Ir贵金属氧化物，其分子式可表示为Ru
x
Ir1‑
x
O，其中0≤x≤1。该贵金属氧化物的制备是以氨基修饰的氧化硅分子筛SBA
‑
15为模板，通过库仑与毛细管力作用，将Ru和/或Ir贵金属浸渍还原于模板壳体的周边孔中。然而贵金属的储量较低，成本较高，限制了贵金属电极材料的大规模化应用。
[0004]研究人员发现地壳中储量丰富的过渡族金属和非金属催化材料在经过掺杂以后，获得了接近于贵金属的较低过电位。近年来，Fe、Co、Ni过渡金属磷化物析氧反应电极材料因其性能良好，成本适中，得到了大力研究，但性能仍具有广阔的提升空间，还存下如下问题：(1)导电性较差；(2)中间吸附能高。
[0005]因此，如何提升非贵金属基析氧电极材料的导电性能，降低其中间吸附能，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种析氧电极及其制备方法和用途。本专利技术采用稀土元素掺杂镍铁磷化物，降低了反应的能垒，提升了导电性能，促进了反应过程中电荷传递，加快了反应速率，从而得到了导电性良好且中间吸附能较低的析氧电极体系。
[0007]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种析氧电极，所述析氧电极包括基底以及负载于所述基底上的稀土元素掺杂的镍铁磷化物。
[0009]本专利技术提供的析氧电极，基底提供了自支撑电极，镍离子与铁离子之间存在正向协同效应，同时协同稀土元素，稀土元素的核外电子丰富，其引入可以诱导电荷的重新分布，优化对氧基物种的吸附/脱附能力，降低反应的能垒，降低了其中间吸附能；同时还提升了导电性能，促进反应过程中电荷传递，加快反应速率，从而得到了导电性良好且中间吸附能较低的析氧电极体系，且环境友好，无毒无害。
[0010]本专利技术中，稀土元素与镍铁磷化物协同作用，充分发挥稀土元素对过渡金属Ni、Fe的调控作用。稀土元素具有特殊的4f轨道外电子层结构，当其作为络合物的中心原子时，其剩余的多个电子轨道可与其他物质形成新的化学键。根据Brewer
‑
Engel理论，拥有不成对d轨道电子的元素与成对d轨道电子的元素相互掺杂，在电子协同作用下调节催化电极对活性氧离子的吸附及脱附能。因此，稀土元素金属(如Nd、Ce和Pr等)与过渡金属(Fe、Ni等)的结合将导致比它们的单一金属对应的合金更具电催化活性。此外，在电化学测试过程中，引入稀土元素后，过渡金属电极材料的稳定性和耐腐蚀能力也得到了较好的提升。
[0011]优选地，所述基底包括碳布。
[0012]本专利技术中，选用碳布作为基底，得到了自支撑电极，增强了镍铁磷化物在电解水过程中的导电性，同时有效提高了电极表面催化剂的稳定性和电子传输效率，更容易控制催化剂的微观结构。
[0013]优选地，所述稀土元素包括铈、钕或镨中的任意一种或至少两种的组合。
[0014]优选地，以所述稀土元素掺杂的镍铁磷化物中的金属元素的总摩尔量为100％计，所述稀土元素的摩尔量占比为1～30％，例如1％、2.5％、3％、5％、7.5％、10％、12.5％、15％、17.5％、20％、22.5％、25％、27.5％或30％等，优选为1～10％。
[0015]本专利技术中，稀土元素的摩尔占比在1～10％时，具有更为优异的协同效果，稀土元素的摩尔量占比过小(＜1％)，会导致其不能有效的调控Ni与Fe的电子结构，起不到正向协同作用；而摩尔量占比过大(＞10％)，又会覆盖原有的活性位点，降低反应活性，同时还会增加成本。所以，综合考虑提升性能与降低成本，稀土元素的掺杂量需选取在最佳的1～10％范围内。
[0016]第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的析氧电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0017](1)将镍源、铁源和稀土源通过电沉积的方法沉积于所述基底上，得到稀土元素掺杂的镍铁氢氧化物前驱体；
[0018](2)将步骤(1)所述稀土元素掺杂的镍铁氢氧化物前驱体进行磷化处理，得到所述析氧电极。
[0019]本专利技术原位合成了析氧电极结构，在电沉积过程中，基底提供了自支撑电极，铁离子(Fe
3+
)、镍离子(Ni
2+
)和稀土元素离子共沉淀在基底上，形成稀土元素掺杂的镍铁氢氧化物前驱体，经过煅烧磷化即可得到稀土元素掺杂的镍铁磷化物电极材料；镍离子与铁离子之间存在正向协同效应，协同稀土元素，稀土元素的核外电子丰富，其引入可以诱导镍铁氢氧化物电荷的重新分布，优化对氧基物种的吸附/脱附能力，降低反应的能垒；提升导电性能，促进反应过程中电荷传递，加快反应速率，得到了环境友好且无毒无害的析氧电极材料以及电极结构；合成方法简单，操作易行且本专利技术中的电沉积过程是在室温下利用电化学工作站的三电极系统进行，不需要严苛的制备环境(如加热、高压、气体氛围等)，制备方法具有普适性。
[0020]本专利技术中，利用电沉积法合成稀土掺杂的镍铁氢氧化物前驱体用时短，耗能少，优于相对耗时、耗能的水热法，成本低廉，生产方式灵活，更适宜工业化生产。
[0021]优选地，步骤(1)所述电沉积前，对基底进行预处理。
[0022]优选地，所述预处理包括：将基底进行超声清洗，油浴处理，得到预处理后的基底。
[0023]优选地，所述超声清洗的时间为1～2h，例如1h、1.5h或2h等。
[0024]优选地，所述油浴处理的温度为80～90℃，例如80℃、83℃、85℃、88℃或90℃等。
[0025]优选地，所述油浴处理的时间为40～50min，例如40min、43min、45min、48min或50min等。
[0026]优选地，步骤(1)所述电沉积的方法为三电极的循环伏安法。
[0027]本专利技术中，以基底上负载催化剂的电极片作为工作电极，Pt作为对电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种析氧电极，其特征在于，所述析氧电极包括基底以及负载于所述基底上的稀土元素掺杂的镍铁磷化物。2.根据权利要求1所述的析氧电极，其特征在于，所述基底包括碳布；优选地，所述稀土元素包括铈、钕或镨中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的析氧电极，其特征在于，以所述稀土元素掺杂的镍铁磷化物中的金属元素的总摩尔量为100％计，所述稀土元素的摩尔量占比为1～30％，优选为1～10％。4.一种如权利要求1
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3任一项所述的析氧电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将镍源、铁源和稀土源通过电沉积的方法沉积于所述基底上，得到稀土元素掺杂的镍铁氢氧化物前驱体；(2)将步骤(1)所述稀土元素掺杂的镍铁氢氧化物前驱体进行磷化处理，得到所述析氧电极。5.根据权利要求4所述的析氧电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述电沉积前，对基底进行预处理；优选地，所述预处理包括：将基底进行超声清洗，油浴处理，得到预处理后的基底；优选地，所述超声清洗的时间为1～2h；优选地，所述油浴处理的温度为80～90℃；优选地，所述油浴处...

【专利技术属性】
技术研发人员：仉小猛，赵宏睿，袁承宗，赵文凯，黄思宇，张伦梁，李将，翁瑶，
申请(专利权)人：中国科学院赣江创新研究院，
类型：发明
国别省市：