镍铁铈催化材料制造技术

本申请提供了一种镍铁铈催化材料

【技术实现步骤摘要】
镍铁铈催化材料、其制备方法与在电解水中的应用


[0001]本申请涉及电催化分解水制氢领域，具体来讲，涉及一种镍铁铈催化材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]人类社会的发展离不开能源
。
当前化石能源的不断开发与利用在为人们带来进步的同时也产生环境污染
、
生态环境的恶化等问题
。
发展高效绿色的可再生能源成为了人们研究的一大热点
。
氢能作为一种清洁能源具有储存能量密度高
、
零二氧化碳排放等优势而受到广泛关注
。
电解水制氢具有工艺简单，技术成熟的优势，是一种可靠的规模化制取氢能的方法
。
电解水过程分为氧气析出反应
(Oxygen Evolution Reaction
，
OER)
和氢气析出反应
(Hydrogen Evolution Reaction
，
HER)
两部分，其中氧气析出反应具有多步骤
、
动力学缓慢的特点，是限制水分解高效快速发生的重要因素之一
。
镍铁催化材料具有优异的氧气析出反应的电催化性能，同时具有廉价和储量丰富的优势，被认为是有潜力的析氧电催化剂材料
。
但是铁元素在析氧电位下是热力学不稳定的，会逐渐溶解到电解液中造成催化剂的损失，限制了其作为高效稳定电催化材料在电解水中的应用
。
[0003]相比于同周期的镧系元素，铈元素的氧化态丰富，易于形成多种不同配位形式的结构
。
由于铈元素的原子半径较大，掺杂进入镍铁结构中的铈会导致晶格畸变，易于在材料中产生缺陷，暴露更多的活性位点
。
并且由于价态的不同，可以调节镍和铁的电子结构，提高催化剂的本征电催化析氧活性
。
[0004]目前，授权或公开的镍铁铈催化材料作为电解水催化剂的专利与文章是相对较少的，通常需要采用多步骤和高温水热或电化学方法等方法来制备铈元素掺杂的镍铁材料
(CN111992219A、CN108447703B、CN110354862A)。
这些方法使用的原料较多，过程复杂，并且制备的镍铁铈催化材料大多存在电催化析氧活性较差的氧化铈相，原子经济性不高
。

技术实现思路

[0005]基于以上技术问题，本申请提供了一种镍铁铈催化材料及其制备方法，所述镍铁铈催化材料在电催化分解水的氧气析出反应中表现出了优异的析氧性能
。
[0006]根据本申请的一个方面，提供了一种镍铁铈催化材料，所述镍铁铈催化材料包括镍基底，所述镍基底表面负载有催化活性层；
[0007]所述催化活性层含有
+3
价和
+4
价的铈元素
、>+3
价的铁元素和无零价镍元素；
[0008]所述催化活性层无独立的氧化铈相
。
[0009]本申请加入的铈元素生成了镍铁铈，不会单独成相生成氧化铈，若催化活性层中存在独立氧化铈，性能会变差
。
[0010]可选地，所述催化活性层还含有
+2
价和
+3
价的铁元素
。
[0011]可选地，所述催化活性层中，铈元素
、
铁元素和镍元素的摩尔比为
Ce:Fe:Ni
＝1～
100:2
～
50:100。
[0012]可选地，所述催化活性层中，铈元素
、
铁元素和镍元素的摩尔比为
Ce:Fe:Ni
＝
12
～
38:9
～
42:100。
[0013]可选地，所述镍基底选自泡沫镍
、
镍丝网
、
雷尼镍
、
镍片或镍粉中的至少一种
。
[0014]所述镍基底的表观形貌在形成镍铁铈材料后，表面存在由纳米形貌
/
颗粒形成的多孔催化活性层
。
[0015]所述镍铁铈催化材料具有多孔结构，孔径为
0.1
μ
m
～
20
μ
m。
[0016]可选地，所述催化活性层的厚度为
0.1
μ
m
～
50
μ
m。
[0017]可选地，所述催化活性层的厚度为
0.1
μ
m
～
10
μ
m。
[0018]根据本申请的一个方面，提供了一种镍铁铈催化材料的制备方法，包括以下步骤：
[0019](1)
将镍基底置于含有氢气的气氛Ⅰ中进行活化处理，得到活化镍基底；
[0020](2)
将所述活化镍基底浸渍于含有铈源和铁源的溶液Ⅰ中，静置，得到所述镍铁铈催化材料
。
[0021]本申请将活化镍基底浸渍于含有铈源和铁源的溶液中时，保证所述活化镍基底浸没于溶液即可
。
[0022]可选地，步骤
(1)
中，所述镍基底选自泡沫镍
、
镍丝网
、
雷尼镍
、
镍片或镍粉中的至少一种
。
[0023]可选地，所述气氛Ⅰ中含有非活性气体；所述非活性气体选自氮气
、
氦气
、
氖气
、
氩气
、
氙气中的至少一种
。
[0024]氢气或者氢气与非活性气体的混合气均可用于本申请
。
本领域技术人员可根据实际需要，选择合适的含有氢气的气氛
。
[0025]可选地，当含有氢气的气氛Ⅰ为氢气与非活性气体的混合气时，所述氢气与所述非活性气体的体积比为
(1
～
50):100。
[0026]可选地，所述氢气与所述非活性气体的体积比独立地选自
1:100、2.5:100、5:100、10:100、15:100、20:100、25:100、30:100、35:100、40:100、45:100、50:100
中的任意值，或上述任意两者间的任意值
。
[0027]可选地，所述活化处理的条件为：
100
～
400℃
下处理
0.25
～6小时
。
[0028]可选地，所述活化处理的条件为：
150
～
300℃
下处理1～3小时
。
[0029]可选地，步骤
(2)
中，所述溶液Ⅰ中，铈元素的摩尔浓度为
0.1
～
45mM。
[0030]可选地，所述溶液Ⅰ中，铈元素的摩尔浓度为1～
30mM。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种镍铁铈催化材料，其特征在于，所述镍铁铈催化材料包括镍基底，所述镍基底表面负载有催化活性层；所述催化活性层含有
+3
价和
+4
价的铈元素
、&gt;+3
价的铁元素和无零价镍元素；所述催化活性层无独立的氧化铈相
。2.
根据权利要求1所述的镍铁铈催化材料，其特征在于，所述催化活性层中，铈元素
、
铁元素和镍元素的摩尔比为
Ce:Fe:Ni
＝1～
100:2
～
50:100
；优选地，所述催化活性层中，铈元素
、
铁元素和镍元素的摩尔比为
Ce:Fe:Ni
＝
12
～
38:9
～
42:100
；优选地，所述催化活性层还含有
+2
价和
+3
价的铁元素；优选地，所述催化活性层的厚度为
0.1
μ
m
～
50
μ
m
；优选地，所述催化活性层的厚度为
0.1
μ
m
～
10
μ
m
；优选地，所述镍铁铈催化材料具有多孔结构，孔径为
0.1
μ
m
～
20
μ
m
；优选地，所述镍基底选自泡沫镍
、
镍丝网
、
雷尼镍
、
镍片或镍粉中的至少一种
。3.
一种镍铁铈催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将镍基底置于含有氢气的气氛Ⅰ中进行活化处理，得到活化镍基底；
(2)
将所述活化镍基底浸渍于含有铈源和铁源的溶液Ⅰ中，静置，得到所述镍铁铈催化材料
。4.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，所述镍基底选自泡沫镍
、
镍丝网
、
雷尼镍
、
镍片或镍粉中的至少一种；优选地，所述气氛Ⅰ中含有非活性气体；所述氢气与所述非活性气体的体积比为
(1
～
50):100
；优选地，所述非活性气体选自氮气
、
氦气
、
氖气
、
氩气
、
氙气中的至少一种；优选地，所述活化处理的条件为：
100
～
400℃
下处理
0.25
～6小时；优选地，所述活化处理的条件为：
150
～
300℃
下处理1～3小时
。5.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
(2)
中，所述溶液Ⅰ中，铈元素的摩尔浓度为
0.1
～
45mM
，优选为1～
30mM
，进一步优选为
2.5
～
20mM
；铁元素的摩尔浓度为1～
15mM
，优选为
2.5
～
12mM
，进一步优选为5～
10mM
；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，张子聪，姚婷婷，安秀瑞，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：