[发明专利]一种非贵金属基电解水析氧反应电催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于电化学催化材料领域，具体涉及一种非贵金属基电解水析氧反应电催化剂，所述电催化剂为镍铁层状双氢氧化物上，负载了羟基氧化铁纳米团簇。本发明解决现有技术中操作复杂、步骤繁多、催化活性不高和能源转化效率不高等问题。通过固体铁源缓慢释放铁离子，控制反应的动力学过程，与溶解在水中的镍离子共同参与形成负载了FeOOH纳米团簇的复合材料。

技术领域

本发明属于电化学催化材料领域，具体涉及一种非贵金属基电解水析氧反应电催化剂。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，以及环境问题的不断增加，传统的化石能源已经不能完全满足巨大的能源需求及绿色发展的要求。电化学水分解制氢被广泛认为是可持续清洁能源转化和存储的非常具有前景的技术。然而，电化学水分解过程中阳极发生的氧析出反应(OER)是动力学迟滞过程，具有较大的析氧过电位，极大限制了水分解效率。目前，基于贵金属的催化剂如氧化铱(IrO₂)和氧化钌(RuO₂)等具有较高的电化学活性以加速该过程，从而提高了氧析出反应的效率，但是较高的价格以及低的储量使其不能大规模使用。因此，已经有很多研究致力于探索高活性高稳定性的基于廉价铁系过渡金属化合物的析氧反应电催化剂，例如过渡金属氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、磷化物、氮化物和硼化物、镍-铁(Ni-Fe)或钴-铁(Co-Fe)层状双氢氧化物(LDH)等。

相关铁系过渡金属化合物用于OER电催化机理的研究表明，低价态铁系元素化合物如氧化物或氢氧化物等的金属位点在电化学催化过程中，常被进一步转化为其相应羟基氧化物形式如羟基氧化镍(CoOOH)和羟基氧化镍(NiOOH)等，并且这些羟基氧化物是OER电催化的真正活性位点。已有报道证实，羟基氧化铁对电解水析氧反应具有优良催化活性。但是，由于其极差的导电性，很少单独用于电催化反应，需要与其他材料进行复合，并进行尺寸纳米化以提高其催化活性。

另一方面，由于特有的表面效应和量子尺寸效应，超细纳米团簇表现出与相应的块状材料显著不同的化学和物理性质。特别的，超细纳米团簇具有极大的比表面积，其表面原子因高度不饱和而具有极高活性，在催化反应中有着非常广阔的前景。但是，超细纳米团簇因其活泼性极其不稳定，非常容易发生团聚，进而失去其尺寸优势。因此，超细纳米团簇一般难以单独存在，其化学制备过程亦不容易实现，目前国内外尚未有关于合成稳定铁系过渡金属化合物超细纳米团簇的报道。

合成稳定存在的负载型铁系金属元素化合物的超细纳米团簇将有望极大地增强其OER电催化性能，提高能源转化效率，为实现大规模电解水制氢提供重要材料支持。

发明内容

本发明的目的是提出一种非贵金属基电解水氧析出反应电催化剂，其为负载型羟基氧化铁纳米团簇；本发明还提供负载型羟基氧化铁纳米团簇的制备方法。

一种非贵金属基电解水氧析出反应电催化剂，为镍铁层状双氢氧化物上，负载了羟基氧化铁纳米团簇；

所述羟基氧化铁纳米团簇的粒径为0.5-5纳米

所述镍元素百分比含量为5％-20％，铁元素百分比含量1％-5％。

所述镍铁层状双氢氧化物的层间阴离子为碳酸根和氟离子。

负载的羟基氧化铁纳米团簇均匀分散在LDH纳米片表面，团簇直径分布在0.5-5纳米。

所述非贵金属基电解水氧析出反应催化剂的制备方法如下：

将镍盐、尿素和氟化铵溶解于水中，将固体铁源加入到上述溶液中，分散，在80℃-200℃下密闭加热，冷却后，将得到的产物分离出来并清洗，随后进行干燥。

所述固体铁源包括不锈钢纳米粉末、四氧化三铁纳米粉末、304不锈钢纳米粉末、氧化铁纳米粉末等，优选不锈钢316L纳米粉末；

所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍等；

所述分散为超声分散后再机械搅拌；