一种NiFe-LDH及其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种析氧反应(OER)催化剂，具体涉及一种NiFe

【技术实现步骤摘要】
一种NiFe
‑
LDH及其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种析氧反应催化剂，具体涉及一种NiFe
‑
LDH及其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]化石燃料的枯竭和能源需求的增加是至关重要的挑战性问题，这些问题引发了研究高效的能源转化材料的热潮。析氧反应(OER)是电解水过程中的核心电化学反应，OER的反应机理复杂、动力学速率缓慢，需要更高的电位才能克服反应能垒，导致能量转换过程效率较低。为了实现电解水中OER反应的低过电位η，设计具有高OER催化性能的电催化剂极其重要，且前途广阔。
[0003]在现有的OER催化剂材料中，尤其是碱性电解液下，第一过渡态的金属元素Fe、Co、Ni的氧化物或氢氧化物是很好的催化剂，而这三种元素的不同组合也能极大地改变催化剂的性质。并且，该三种元素对应的过渡金属氢氧化物、氧化物、硫族化物、磷酸盐、金属碳化物、钙钛矿及其复合物作为用于OER的贵金属催化剂的低成本替代品引起了人们的极大兴趣。然而，这些电催化剂由于其低导电性、不稳定性和小表面积，催化效率仍然较低。因此，开发一种成本低廉、高活性和高稳定性的催化剂具有重要行业意义和商业价值，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
[0004]化学成分可调、制备成本低廉的层状金属氢氧化物(LDH)材料具有广阔的应用前景和较高的实用价值。改善催化剂微观形貌从而暴露出更多活性位点是提高其电化学析氧活性的有效途径。
[0005]现有技术中，对OER催化剂材料的改进主要是对第一过渡态的金属元素离子的比例进行调整或是对步骤参数进行调整，难以实现较大突破，为此，需要提出一种合适的制备方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种NiFe
‑
LDH及其制备方法及应用，以解决现有技术中OER催化剂材料具有低导电性、不稳定性和小表面积的缺陷，通过改变材料的微观形貌实现了高催化活性、高稳定性的OER催化剂材料的制备。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]本专利技术第一方面公开了一种NiFe
‑
LDH的制备方法，包括如下步骤：
[0009]将镍源、铁源、尿素以及氟化铵加入去离子水中并搅拌混匀，得到反应液；使反应液发生水热反应；收集水热反应的沉淀产物，洗涤并干燥后得到所述的NiFe
‑
LDH；
[0010]通过调控氟化铵的添加量直接调控NiFe
‑
LDH的微观形貌，进而调控NiFe
‑
LDH的催化性能。
[0011]优选地，所述的镍源为六水合硝酸镍，铁源为九水合硝酸铁。
[0012]优选地，所述的反应液中：铁离子(Fe
3+
)与总金属离子(Fe
3+
+Ni
2+
)的摩尔比为0.17
‑
0.33：1，总金属离子与尿素的摩尔比为1：5，尿素与氟化铵的摩尔比为8：1
‑
8。其中，
Fe
3+
来源于九水合硝酸铁，Ni
2+
来源于六水合硝酸镍。
[0013]优选地，所述的反应液中：铁离子与总金属离子的摩尔比为0.25：1，总金属离子与尿素的摩尔比为1：5，尿素与氟化铵的摩尔比为8：1
‑
8。
[0014]优选地，所述的水热反应的温度为100
‑
140℃，时间为10
‑
14h。
[0015]进一步优选地，所述的水热反应的温度为110
‑
130℃，时间为11
‑
13h。
[0016]优选地，所述的水热反应中添加泡沫镍作为基底，使NiFe
‑
LDH原位生长于泡沫镍上。
[0017]优选地，所述的泡沫镍经洗涤、干燥预处理，包括：
[0018]裁剪泡沫镍为指定尺寸，依次通过盐酸、丙酮、去离子水和乙醇进行洗涤，干燥。
[0019]优选地，所述的泡沫镍的裁剪尺寸为2cm
×
3cm。
[0020]优选地，所述的盐酸的浓度为3mol/L。
[0021]优选地，所述的干燥(泡沫镍清洗后的干燥)的温度为60
‑
80℃，时间为6
‑
10h。
[0022]优选地，所述的干燥(沉淀产物清洗后的干燥)的温度为60
‑
80℃，时间为6
‑
10h，采用恒温干燥箱进行干燥。
[0023]本专利技术第二方面公开了一种采用如上任一所述的方法制备得到的NiFe
‑
LDH。
[0024]本专利技术第三方面公开了一种如上所述的NiFe
‑
LDH作为电解水反应催化剂的应用，尤其是在碱性条件下作为OER催化剂的应用。
[0025]本专利技术的技术原理为：
[0026]具有纳米片层结构的NiFe
‑
LDH在碱性电解液中对OER表现出较强的活性，特殊的层状结构有利于催化过程中电子的传递，同时氢氧化物层金属离子Fe
3+
和Ni
2+
之间的协同效应诱导了具有适当电子结构的有利局部化学环境。另外，氟化铵在水热反应中作为形貌调控剂，直接调控NiFe
‑
LDH的微观形貌。
[0027]在第一阶段，氟化铵到达水解温度后，产生的F
‑
与体系中存在的金属离子Ni
2+
和Fe
3+
发生配位，生成NiF
a(a
‑
2)
‑
和FeF
b(b
‑
3)
‑
。在温度升高到约70℃时，尿素发生水解，产生的OH
‑
为体系提供了碱性环境，同时水解生成的CO
32
‑
则作为层间阴离子参与LDH物质结构的形成。在第二阶段，由于大量金属离子Ni
2+
和Fe
3+
已与F
‑
产生螯合，这种配体释放金属离子的过程会大大减缓Ni
+
和Fe
3+
与OH
‑
结合的速度，因而NiF
a(a
‑
2)
‑
和FeF
b(b
‑
3)
‑
会缓慢地将Ni
2+
和Fe
3+
释放到反应体系中，实现了LDH物质的缓慢成核。因此不同量的NH4F的添加可以直接影响NiFe
‑
LDH的形成过程，最终改变材料的各方面特征。上述过程中的反应方程主要为：
[0028]Ni
2+ + aF
‑
ꢀ→ꢀ
NiF
a(a ‑
2)
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种NiFe
‑
LDH的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将镍源、铁源、尿素以及氟化铵加入去离子水中并搅拌混匀，得到反应液；使反应液发生水热反应；收集水热反应的沉淀产物，洗涤并干燥后得到所述的NiFe
‑
LDH；通过调控氟化铵的添加量直接调控NiFe
‑
LDH的微观形貌，进而调控NiFe
‑
LDH的催化性能。2.根据权利要求1所述的一种NiFe
‑
LDH的制备方法，其特征在于，所述的镍源为六水合硝酸镍，铁源为九水合硝酸铁。3.根据权利要求2所述的一种NiFe
‑
LDH的制备方法，其特征在于，所述的反应液中：铁离子与总金属离子的摩尔比为0.17
‑
0.33：1，总金属离子与尿素的摩尔比为1：5，尿素与氟化铵的摩尔比为8：1
‑
8。4.根据权利要求3所述的一种NiFe
‑
LDH的制备方法，其特征在于，所述的反应液中：铁离子与总金属离子的摩尔比为0.25：1，总金属离子与尿素的摩尔比为1：5，尿素与氟化铵的摩尔比为8：1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴成章，孙思文，何阳，陈天怡，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：