三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的制备方法技术

本发明专利技术为三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的制备方法。该方法将3D氮掺杂碳网络(N

【技术实现步骤摘要】
三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化领域，具体为通过超薄纳米片诱导法制备三维高比表面积的高熵金属氧化物纳米催化剂及其应用。

技术介绍

[0002]随着全球经济的快速发展，作为主要能源的煤炭、石油和天然气等化石燃料的消耗急剧增加，传统化石能源日益匮乏及环境污染日益加剧，人们对新型清洁能源的需求不断加大。
[0003]水电解法作为一种新兴的绿色氢能制备方法，由阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)组成。值得注意的是，OER是一个缓慢的四电子转移过程，从而导致很大的过电位，产生巨大的能量消耗。因此，寻找一种高效的OER电催化剂已成为近年来的研究热点。氧化铱(IrO2)和氧化钌(RuO2)通常被认为是OER的优良电催化剂，但缺点是这些贵金属的稀缺性和高成本。因此，大量的非贵金属基电催化剂被研究出来，以找出它们的OER性能可以与IrO2，RuO2相媲美。目前，高熵氧化物(HEO)是一种由多个主要金属元素组成的新兴材料，在基础物理、力学性能、储能和催化剂等重要领域显示出良好的发展潜力。与传统的基于较少组分的掺杂策略相比，混合组分在平均每个主要金属元素性能的同时，有时会产生额外的性能。近年来，高熵尖晶石氧化物因其多组分、多金属中心和高稳定性而成为析氧电催化剂的研究热点。在已报道的高熵尖晶石氧化物析氧催化剂中，铁、钴、镍、铬、锰、锌、钴等具有储量丰富、价格低廉、原子半径相近、易于电子传递等优点，常被用作高熵尖晶石氧化物析氧电催化剂组分。
[0004]然而，在非贵金属高熵氧化物的研究中发现，传统合成方法得到的高熵金属氧化物的比表面积较小，从而导致催化剂与电解液接触不充分、活性位点不能充分暴露。在现有技术中，专利CN116037149A中提到利用模板剂辅助制备尖晶石型高熵氧化物，利用金属盐前驱体沿着模板剂提供的骨架生长搭建，后续再去除模板剂留下孔道使得高熵氧化物催化剂活性组分高度分散，能够很好的改善高熵氧化物在高温煅烧下烧结的问题，从而极大地提高高熵氧化物材料的比表面积，但其得到的高熵氧化物比表面积仅为26.4m
2 g
‑1。因此开发出工艺简单、成本低廉、适合大规模生产的高比表面积高熵氧化物催化材料的制备工艺仍然具有挑战性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的为针对现有高熵氧化物催化剂比表面积小，从而导致的催化剂活性低、稳定性差的问题，提供了一种制备三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的方法和应用。该方法将3D氮掺杂碳网络(N
‑
CN)用作牺牲模板，在浸渍过程中吸附金属阳离子；再通过在空气中加热，使得金属阳离子转化为金属氧化物纳米颗粒，并随着碳基质的消失而出现。同时，超薄碳纳米片被消耗，并通过阻碍奥斯瓦尔德熟化诱导纳米颗粒在2D平面的组装。所得高熵金属氧化物的2D纳米片进一步构建了3D互连网络，复制了碳模板，从而达到高
比表面积的效果。本专利技术得到的材料作为析氧反应阳极催化剂，三维网络状的高熵金属氧化物催化剂表现出优异的电化学性能。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、三维掺氮碳网络(N
‑
CN)的制备：
[0009]将葡萄糖和氯化钠溶解在去离子水中，将得到的混合溶液真空冷冻干燥，然后用研钵粉碎得到复合粉末，并与尿素混合；然后，在流动的Ar气氛下，在管式炉中600～700℃下反应2～3h，冷却至室温后，将得到的粉末样品用去离子水溶解盐，然后在烘箱中干燥，得到三维掺氮碳网络，即N
‑
CN；
[0010]其中，每50～100mL去离子水加入0.5～3.0g葡萄糖；葡萄糖和氯化钠的质量比为1：10～1：30；每1g葡萄糖加入0.9～1.1g尿素；
[0011]所述的复合粉末的粒径为100
‑
300目。
[0012]步骤二、三维高比表面积高熵金属氧化物的制备：
[0013]将Me、Co、Ni、Fe、Mn各自的金属盐溶解于去离子水中，得到金属盐混合溶液，然后在超声作用下将步骤一制备的N
‑
CN分散在金属盐混合溶液中；超声分散后，将所得悬浮液在室温下静置12～24h；然后将得到的悬浮液过滤、洗涤并烘干；将得到的烘干物在空气中加热煅烧，然后自然冷却至室温，得到三维高比表面积高熵金属氧化物；
[0014]Me、Co、Ni、Fe、Mn的摩尔比为0.9～1.1：0.9～1.1：0.9～1.1：0.9～1.1：0.9～1.1；Me为Cu、Cr或Zn；金属盐混合溶液中，Me、Co、Ni、Fe、Mn的总摩尔浓度为0.1～2mol/L；
[0015]每20mL金属盐混合溶液分散的N
‑
CN的质量为0.02～0.06g；
[0016]优选地，葡萄糖和氯化钠的质量比为1：20，用于溶解的去离子水的量为75mL；加入尿素的质量与加入葡萄糖的质量保持一致。
[0017]步骤一中，真空冷冻干燥温度为
‑
40～
‑
60℃；干燥温度为60～80℃，时间为8～12h。
[0018]优选地，真空冷冻干燥温度为
‑
50℃，加热温度为650℃，反应时间为2h；干燥温度为80℃，时间为12h。
[0019]步骤二中，所述金属盐可为氯化物、硝酸盐、醋酸盐中的至少一种；优选地，各金属盐之间的摩尔比为1：1。
[0020]步骤二中，每20mL金属盐混合溶液分散的N
‑
CN的质量为分0.033g；室温静置时间为12h。
[0021]在所述步骤二中，烘干温度为60～80℃，时间为8～12h；升温速率为2～5℃min
‑1，煅烧温度为350℃～450℃，反应时间为2～3h。
[0022]优选地，烘干温度为80℃，时间为12h；升温速率为2℃min
‑1，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2h。
[0023]所述方法得到的三维高比表面积高熵金属氧化物，用于析氧反应阳极催化剂。
[0024]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0025]1、本专利技术提出了一种高熵金属氧化物催化剂的制备方法，通过浸渍法制备可得，具有制备方法简便，成本低廉，易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点。
[0026]2、通过制备出具有三维高比表面积网络结构的材料，为电解槽中电解液的渗透和
扩散提供了足够的空间，提高了OER活性；并且得益于其高比表面积(97.1m2g
‑1)，电子传输效率加快，使得OER性能显著提升，提高了电解水催化效果，降低了电解水成本，具有较好的应用前景。
[0027]3、由于材料的高比表面积，使得催化剂与电解液充分接触、活性位点充分暴露，催化性能优良。其在10mA cm
‑2的电流密度下过电位为353mV，与贵金属RuO2催化剂(在电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的制备方法，其特征为该方法包括以下步骤：步骤一、三维掺氮碳网络(N
‑
CN)的制备：将葡萄糖和氯化钠溶解在去离子水中，将得到的混合溶液真空冷冻干燥，然后用研钵粉碎得到复合粉末，并与尿素混合；然后，在流动的Ar气氛下，在管式炉中600～700℃下反应2～3h，冷却至室温后，将得到的粉末样品用去离子水溶解盐，然后在烘箱中干燥，得到三维掺氮碳网络，即N
‑
CN；其中，每50～100mL去离子水加入0.5～3.0g葡萄糖；葡萄糖和氯化钠的质量比为1：10～1：30；每1g葡萄糖加入0.9～1.1g尿素；步骤二、三维高比表面积高熵金属氧化物的制备：将Me、Co、Ni、Fe、Mn各自的金属盐溶解于去离子水中，得到金属盐混合溶液，然后在超声作用下将步骤一制备的N
‑
CN分散在金属盐混合溶液中；超声分散后，将所得悬浮液在室温下静置12～24h；然后将得到的悬浮液过滤、洗涤并烘干；将得到的烘干物在空气中加热至350℃～450℃，煅烧2～3h，然后自然冷却至室温，得到高熵金属氧化物催化剂；其中，Me、Co、Ni、Fe、Mn的摩尔比为0.9～1.1：0.9～1.1：0.9～1.1：0.9～1.1：0.9～1.1；Me为Cu、Cr或Zn；金属盐混合溶液中，Me、Co、Ni、Fe、Mn的总摩尔浓度为0.1～2mol/L；每20mL金属盐混合溶液分散的N
‑
CN的质量为0.02～0.06g。2.如权利要求1所述的三维高比表面积高熵金属氧化物析氧催化剂的制备方法，其特征为...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱杉，孙风祥，郑士建，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：