具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂及其制备方法及应用，通过使用电化学沉积和热处理方式，在碳布表面原位生长空间网状碳纳米结构，然后原位负载镍铁或镍铁（氧）氢氧化物。该方法简单且成本低，制得的水分解催化剂具有比表面积大和超疏气特性，析氢或析氧催化性能好，可以广泛应用于能源存储以及多种电催化应用。及多种电催化应用。及多种电催化应用。

【技术实现步骤摘要】
具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及水分解催化剂及其制备方法与应用，尤其是涉及具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近些年来，基于过渡金属的催化剂成为了研究的热点。为了提高催化剂的催化活性、增加活性位点数目和活性位点利用率，多采用石墨烯、碳纳米纤维、碳纳米管、泡沫镍等作为基底制备催化剂材料。上述材料可有效增加催化剂的比表面积，但是此类基底制备的催化材料在析氧和析氢反应性能方面与贵金属催化剂相比仍存在一定的差距。在水分解反应过程中，由于产生的气泡附着在催化剂表面，不能迅速脱附，导致了活性位点利用率不高的问题，进一步降低催化材料的催化活性。
[0003]因此，开发一种设备及操作简单且可实现大规模稳定制备高比表面积、高导电性、高负载量的超疏气性催化材料的方法具有重大意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是提供具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂及其制备方法，所述具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂包括具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂和具有空间网状结构的超疏气性镍铁（氧）氢氧化物催化剂，以解决现有水分解催化剂活性位点利用率不高、催化活性较低的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：（1）以亲水碳布为基底的空间网状碳纳米结构的制备采用亲水碳布作为工作电极，石墨纸作为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将以上共同构成的三电极体系置于电解液中，控制电压为0.7~1.5V，沉积时间为20~60min，沉积结束后进行洗涤干燥，即制得长有网状聚吡咯纳米线的碳布；随后，将长有网状碳纳米线的碳布置于高温管式炉中，N2气氛下600~800℃退火1~3h，得到以碳布为基底的空间网状碳纳米结构。所述电解液为含吡咯的磷酸盐缓冲液。
[0006]（2）空间网状碳纳米结构上负载镍铁金属颗粒以步骤（1）制得的空间网状碳纳米结构为基底，通过电沉积法在空间网状结构上生长镍铁纳米颗粒，得到具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂。
[0007]步骤（1）中，所述亲水碳布是先将碳布进行高温处理，然后依次用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，再经水洗、干燥而得；所述的电解液的吡咯体积分数为6.9μL/mL；所述磷酸盐缓冲溶液由如下方法制得：每50mL水加入3.15g磷酸氢二钠，0.78g磷酸二氢钠和1.54g对甲苯磺酸钠。
[0008]步骤（2）中，所述电沉积法以空间网状碳纳米结构作为工作电极，以石墨纸作为对
电极，将其浸入镍铁前驱体溶液，以
‑
10mA cm
‑2的电流密度沉积10~40min，沉积结束后进行洗涤、干燥。
[0009]步骤（2）中，所述的镍铁前驱体溶液为含NiSO4·
6H2O、FeSO4·
7H2O和H3BO3的水溶液，其中NiSO4·
6H2O的浓度为0.01~0.2M，FeSO4·
7H2O的浓度为0.01~0.2M，H3BO3浓度为0.2~0.8M。
[0010]具有空间网状结构的超疏气性镍铁（氧）氢氧化物催化剂的制备方法，包括如下步骤：将具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂置于燃烧舟中，并加入硫粉，在高温管式炉中进行处理，处理温度为200~400℃，时间1~4h；冷却至室温后，将材料在浓度为0.5~3M KOH中，以10mA cm
‑2的电流密度下处理10~50h，得到具有空间网状结构的超疏气性镍铁（氧）氢氧化物催化剂。硫粉的用量以超疏气性镍铁金属催化剂中碳布尺寸计量，每2cm
×
3cm的碳布，对应硫粉用量为0.05~0.5g。高温管式炉中升温速率为10℃/min。
[0011]本专利技术具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂应用在析氢催化反应中。
[0012]本专利技术具有空间网状结构的超疏气性镍铁（氧）氢氧化物催化剂应用在析氧催化反应中。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：（1）本专利技术采用电沉积和碳化的方法制备了具有较大比表面积的空间网状结构的衬底，增加了活性位点的数目，有利于提高催化活性；（2）本专利技术制备的催化剂具有超疏气特性，能够实现气泡的迅速脱附，从而增加活性位点的利用率，并维持材料催化性能稳定；（3）将制得的具有空间网状结构的超疏气镍铁金属催化剂用于析氢反应，结果表明，
‑
10mA cm
‑2电流密度下的过电位仅为23mV，塔菲尔斜率95mV dec
‑1，表明此催化剂在水分解析氢催化的应用上有着良好的性能；（4）将制得的具有空间网状结构的超疏气镍铁（氧）氢氧化物催化剂用于析氧反应，结果显示，10mA cm
‑2电流密度下的过电位仅为169mV，塔菲尔斜率59mV dec
‑1，表明此催化剂在水分解析氧催化的应用上有着较好的性能；（5）通过原位生长的方式，避免了粘结剂的使用，有效提高电导率，同时避免了材料的脱落。
附图说明
[0014]图1和图2为实施例1制备的不同尺度的空间网状碳纳米结构的SEM图。
[0015]图3为实施例2制备的NiFe/CCNM材料的SEM图。
[0016]图4为实施例3制备的NiFe
‑
OH/CCNM材料的SEM图。
[0017]图5为实施例2制备的NiFe/CCNM的水下气泡接触角测试图。
[0018]图6为实施例3制备的NiFe
‑
OH/CCNM的水下气泡接触角测试图。
[0019]图7为实施例4制备的NiFe/CCNM材料的生长金属颗粒的SEM图。
具体实施方式
[0020]下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0021]在以下各实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法，所用试剂未标明来源和规格的均为市售分析纯或色谱纯。
[0022]实施例1具有空间网状结构的超疏气性水分解催化剂的制备，包括如下步骤：（1）以亲水碳布为基底的空间网状碳纳米结构的制备a、将2cm
×
3cm的碳布放置于管式炉中，600℃热处理10min，待冷却至室温后取出，依次用丙酮和无水乙醇超声30min。随后用去离子水洗涤并干燥，得到亲水碳布；b、将3.15g磷酸氢二钠十二水合物、0.78g磷酸二氢钠二水合物和1.54g对甲苯磺酸钠溶于50mL的去离子水中，配制成磷酸盐缓冲溶液；c、向步骤b制得的磷酸盐缓冲溶液中加入347μL的吡咯，搅拌，使得溶液均匀；d、将步骤a所得亲水碳布作为工作电极，石墨纸为对电极，Ag/AgCl作为参比电级，步骤c中制备的溶液作为电解液，构成的三电极体系，控制电压为0.7V，沉积时间为20min，进行聚吡咯沉积，沉积结束后，用无水乙醇和去离子水交替洗涤3次；e、将步骤d中获得材料置于管式炉内，在N2气氛保护下以5℃/min本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：（1）以亲水碳布为基底的空间网状碳纳米结构的制备采用亲水碳布作为工作电极，石墨纸作为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将以上共同构成的三电极体系置于电解液中，控制电压为0.7~1.5V，沉积时间为20~60min，沉积结束后进行洗涤干燥，即制得长有网状聚吡咯纳米线的碳布；随后，将长有网状碳纳米线的碳布置于高温管式炉中，N2气氛下600~800℃退火1~3h，得到以碳布为基底的空间网状碳纳米结构;所述电解液为含吡咯的磷酸盐缓冲液;（2）空间网状碳纳米结构上负载镍铁金属颗粒以步骤（1）制得的空间网状碳纳米结构为基底，通过电沉积法在空间网状结构上生长镍铁纳米颗粒，得到具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂。2.根据权利要求1所述的具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂的制备方法，其特征是，步骤（1）中，所述亲水碳布是先将碳布进行高温处理，然后依次用丙酮、无水乙醇进行超声清洗，再经水洗、干燥而得；所述的电解液中吡咯体积分数为6.9μL/mL；所述磷酸盐缓冲溶液按如下比例配制：每50mL水加入3.15g磷酸氢二钠十二水合物，0.78g磷酸二氢钠二水合物和1.54g对甲苯磺酸钠。3.根据权利要求1所述的具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂的制备方法，其特征是，步骤（2）中，所述电沉积法以空间网状碳纳米结构作为工作电极，以石墨纸作为对电极，将其浸入镍铁前驱体溶液，以
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10mA cm
‑2的电流密度沉积10~40min，沉积结束后进行洗涤、干燥。4.根据权利要求3所述的具有空间网状结构的超疏气性镍铁金属催化剂的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凤和，郭颖楠，郑欢，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：