[发明专利]一种铁基催化剂、制备方法及其在高效电催化水裂解方面的应用

说明书

一种铁基催化剂、制备方法及其在高效电催化水裂解方面的应用，属于电催化剂合成技术领域。首先通过溶剂热法合成FeS纳米片，然后电化学原位活化得到Fe@FeO_xS_y核壳纳米粒子铁基催化剂。本发明产品在碱性条件下具有极好的电催化水裂解活性和稳定性能：电催化水裂解析氢仅需过电势510mV，便可达到工业级标准级电流密度1000mA/cm^‑2；电催化水裂解析氧仅需过电势240mV，便可达到组成碱性电解池所需电流密度10mA/cm^‑2，远远好于目前工业所用贵金属催化剂，并且稳定性均可长达至少1000h，性能而不衰减。具有制备方法简单，方便可控，制备周期短，易于规模制备的优点，所需原料储量丰富、价格低廉、可代替贵金属、促进水裂解产氢商业化应用。

技术领域

本发明属于电催化剂合成技术领域，具体涉及一种廉价铁基催化剂、制备方法及其在高效电催化水裂解方面的应用。

背景技术

在新能源的开发研究中，氢气由于具有燃烧值高、产物无污染和利用形式多样化等诸多优点而广受关注。与蒸汽甲烷转化法和水煤气法相比，电解法以水为原料，是一种清洁、可持续的大规模制备氢气的方法。电化学水裂解反应包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。传统的贵金属(如Pt,Ru,Ir)和贵金属氧化物(IrO₂，RuO₂)催化剂具有较高的HER和OER活性，但价格昂贵且资源匮乏限制了它们的大规模应用。因此开发储量丰富、价格便宜，且具有较高催化效率和稳定性的水裂解催化剂，是水裂解制氢研究和应用的关键。

随着相关研究的推进，一系列非贵金属水裂解催化剂(如过渡金属磷化物CoP、过渡金属硫化物MoS₂、过渡金属氧化物/氢氧化物NiFe-LDH等)被开发出来。在诸多非贵金属催化剂中，有些非贵金属催化剂导电性低(J.Am.Chem.Soc.2005年127卷5308页)、活性表面积受限、稳定性差、亲水性差及气体气泡不易溢出等问题，限制了其优异性能的发挥。

针对上述问题我们迫切需要寻找综合性能佳、应用前景广泛、可代替贵金属、促进水裂解析氢商业化应用的非贵金属催化剂。储量丰富的铁基化合物具有良好的导电性、亲水性及较小的气体粘附力，在催化过程中有效的降低了水分解所需的能量势垒。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储量丰富、价格低廉、可代替贵金属、促进水裂解析氢商业化应用的Fe@FeO_xS_y核壳纳米粒子铁基水裂解催化剂及其制备方法。

首先，通过溶剂热法合成FeS纳米片；然后，电化学原位活化FeS纳米片形成Fe@FeO_xS_y核壳纳米粒子。所制备的FeS纳米片直径～1微米，厚度～50纳米。电化学原位活化所得的Fe@FeO_xS_y核壳纳米粒子是以Fe纳米粒子为核，核直径为3nm～10nm；以外围形成的FeO_xS_y为壳，壳厚度为5nm～15nm。该材料在碱性条件下具有极好的电催化水裂解活性和稳定性能：电催化水裂解析氢仅需过电势510mV，便可达到工业级标准级电流密度1000mA/cm^-2；电催化水裂解析氧仅需过电势240mV，便可达到组成碱性电解池所需电流密度10mA/cm^-2，远远好于目前工业所用贵金属催化剂，并且电催化催化水裂解析氢析氧稳定性均可长达至少1000h，性能而不衰减。制备该Fe@FeO_xS_y核壳纳米粒子方法简单，方便可控，制备周期短，易于规模制备。

本发明所述的Fe@FeO_xS_y核壳纳米粒子铁基水裂解催化剂的制备方法，其步骤如下：

(1)将硫源溶于乙二醇溶液中，然后加入铁源，放入反应釜加热，溶剂热反应，从而在铁源的表面得到FeS纳米片，洗涤后干燥；