[发明专利]一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用，所述方法包括将镍铁盐溶液和碱溶液的混合体系暴露于氧化性气氛中反应的步骤；所述的镍铁盐溶液是可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并均匀混合所得溶液；所述的可溶性亚铁盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁或乙酸亚铁；所述的可溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍或乙酸镍。采用本发明的方法生产所述OER催化剂所需设备简单，操作方便，成本低。同时所制备的Fe³⁺掺杂的β‑Ni(OH)₂催化剂呈现纳米棒状微观形态，具有很好的OER活性，活性和稳定性均优于之前报道的NiFe层状双氢氧化物和目前性能最好的IrO₂。因此可作为可再生燃料电池、可充电金属空气电池、电解水等领域的电催化剂。

技术领域

本发明属于电化学催化剂的制备领域，涉及一类可用于催化析氧反应(OER)的Fe³⁺掺杂的β-Ni(OH)₂纳米棒的制备方法。

背景技术

现代社会中，人们的衣食住行都紧紧地与能源供应和消费相联系，如烧火做饭、取暖、照明、交通运输、工业生产等都离不开能源。可以说，没有能源工业就没有现代文明。此外，化石类能源是不洁净能源，在满足人们绝大部分能源需求的同时，也向自然界排放了大量的废水、废气、废渣，造成了酸雨危害、温室效应、臭氧层破坏和化学定时炸弹的威胁等全球性环境问题。在21世纪，随着全球经济的持续发展，其所依赖的化石能源，特别是石油、煤炭、天然气等正面临着严重的资源枯竭问题，节约资源、高效利用现有资源、开发洁净能源和新技术是21世纪世界能源科技的主题。而金属空气电池具有原材料丰富、安全环保、能量密度高等优点，被称为“面向21世纪的新型绿色能源”。金属空气电池的阳极为活泼金属(如Mg、Al和Zn等)，放电时金属M被氧化成相应的金属离子M+；充电时为金属离子还原成相应的金属。阴极活性物质为空气中的氧气，放电时O₂被还原成OH-；充电时OH-被氧化O₂析出。金属空气燃料电池的燃料金属M和氧化剂O₂可通过充电过程得以“再生”，起到蓄能作用。

然而由于析氧反应缓慢的动力学过程，氧气析出需要的电压远远高于热力学电势，严重限制了可充电金属空气电池的应用。到目前为止，IrO₂是在碱性体系中性能和稳定性最好的OER催化剂，但由于其在地球上的含量稀少，价格昂贵，大大限制了它们商业化的应用。因此开发价格低廉、稳定高效的OER催化剂具有重要的意义。

除了贵金属，同时含有镍铁的氧化物或氢氧化物在碱性介质中具有较高的析氧催化活性。有趣的是，单独的氢氧化镍和铁氧化物催化OER的性能很差，但是复合的镍铁氢氧化物就表现出优异的OER性能。2014年，Boettcher等人通过原位电化学方法制备出Ni_1-xFe_xOOH薄膜，用于氧气析出，发现掺入的Fe不仅提高薄膜的导电性还促进了Ni的部分电荷转移作用，从而明显提高了OER性能。2015年，Dai等人利用碳纳米管的高导电性，将Ni-Fe层状双氢氧化物(与α-Ni(OH)₂结构相似)与碳纳米管复合得到高性能的OER催化剂，并将其发表在《Journal of the American Chemical Society》上。2016年，Yan等人在《Electrochemistry Communications》报道了通过水热方法制得纳米片状的Ni-Fe层状双氢氧化物用于催化OER。但是之前的研究主要侧重在原位电化学生成的铁掺杂的γ-NiOOH和Ni-Fe层状双氢氧化物。此外相比于商业化的IrO₂，这些催化剂仍然存在稳定性差，催化剂合成复杂等问题。

发明内容

本发明旨在针对现有OER催化剂价格昂贵、催化电流密度低，过电位高、稳定性差、合成方法复杂问题，提出解决方案。为此本发明系统地提供一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用。