[发明专利]空腔结构的氧化铁‑氧化钌复合纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电解水、燃料电池和金属-空气电池等技术领域，特别是其氧电极材料的制备技术。

技术背景

随着化石燃料的燃烧，大气中 CO₂ 含量逐年上升，引发气候变化、海平面上升和能源危机等众多环境问题。寻找清洁可替代型能源问题迫在眉睫。电解水中产生的氢气是一种高效的能源气，或者乙醇燃料电池，又或者金属空气电池，人们都对它们极其感兴趣。但是由于催化剂等一些问题使它们的被利用效率很低。这其中都包括一种相当重要的氧电极，它是析氧反应（OER）或者是氧气还原反应（ORR），是电解水、燃料电池和金属-空气电池等研究领域的关键问题之一。

目前氧电极相对差的催化能力是制约氧电极高效应用的关键因素。将少量氧化钌与氧化铁结合，应用到电催化中的氧电极，显示了良好的催化性能。但是氧化钌价格及其昂贵，因此其在工业生产中的应用较少，其的生产应用被限制了，这也是没有看见相关报道的原因。

发明内容

本发明目的在于提供一种核壳结构的氧化钌包覆氧化铁复合纳米材料的制备方法，以提高在吸氧反应等方面的电催化性能。

本发明技术方案包括如下步骤：

1）将FeCl₃、Na₂SO₄、NH₄H₂PO₄和去离子水混合后进行第一次水热反应，反应结束后取得固相，经水和醇洗涤后真空干燥，即得空心纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒；

2）将空心纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒分散在蒸馏水中，加入水合三氯化钌以及1mol/L盐酸水溶液，将经超声取得浑浊液；

3）将浑浊液置于高压釜中，在170～190℃条件下进行第二次水热反应，反应结束后取固相，经水洗后再加入1mol/L盐酸水溶液，在50℃～70℃条件下干燥，除去多余的Fe₂O₃颗粒，最后再将产物水洗后在50～70℃下烘干，得空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料。

本发明工艺简单、合理，制备的空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料采用氧化钌对氧化铁进行包覆，可提高导电性和电子传输能力，其特殊空腔纺锤体状的纳米结构，大大提高了在吸氧反应等方面的电催化性能。

第二次水热反应的条件为170～190℃，在此温度范围下，三氯化钌水解得到氧化钌的产量和速率是最好的。

以上步骤3）中，在除去多余的Fe₂O₃颗粒时采用浓度为1mol/L盐酸水溶液。如过高或者过低的盐酸浓度都对会产生不良效果，过高可能将Fe₂O₃的骨架全部破坏，过低会影响实验的中过多残留的Fe₂O₃多电催化的影响。

以上步骤3）中，两次干燥的温度都为50～70℃，在这个温度范围内干燥都是可以的，只是干燥的时间可能会长短不一的差别。

进一步地，为了获得目标产物Fe₂O₃的产量最多，而且形貌也是最好的范围，本发明所述FeCl₃、Na₂SO₄和NH₄H₂PO₄的混合摩尔比为33～39∶ 1 ∶1.3～1.5。

在制备空心纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒时的真空干燥温度为70～90℃。在这个温度范围内干燥都是可以达到本发明目的。

为了使包覆氧化钌的效果更好，所述空心纺锤体状的Fe₂O₃纳米颗粒、蒸馏水和水合三氯化钌的混合质量比为1∶3500∶2～3。

附图说明

图1为实施例一制备的空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料的SEM图。

图2为实施例二制备的空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料的TEM图。

图 3为实施例一制备的空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料的电催化性能图。

图4为实施例二制备的空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料的电催化性能图。

图5为实施例三制备的空腔结构的氧化铁-氧化钌复合纳米材料的电催化性能图。

具体实施方式