[发明专利]一种无定形镍铁氧化物纳米片状电催化材料及其制备和应用

说明书

一种无定形镍铁氧化物纳米片状电催化材料及其制备和应用，属于电化学能源转化材料技术领域。本发明采用水热法在商业泡沫镍基体上原位合成了无定形镍铁氧化物纳米片状薄膜材料，其具有高比表面积和较多的催化活性位点特点。该材料应用于1M氢氧化钾溶液中电解水，获得电流密度10mA·cm^‑2时，析氧所需的过电位为206～220mV，优于目前报道的大多数阳极析氧催化材料的性能。此外，本发明所涉及的制备工艺简单，原材料丰富便宜，可替代昂贵且稀缺的贵金属基催化剂，促进电解水的大规模工业应用。

技术领域

本发明属于电化学能源转化材料技术领域,具体涉及一种在碱性介质中分解水用的无定形镍铁氧化物纳米片状电催化材料及其制备流程和应用。

背景技术

随着社会经济的持续发展以及全球人口数量的不断增加，加之日益严峻的环境问题，能源安全已经引起了人们的高度关注。开发清洁、高效、无污染的可再生能源迫在眉睫。因氢能具有可持续、无污染、能量密度高的特点，被认为是替代化石燃料、解决当前能源安全问题和严峻的环境问题的重要能源。电解水产氢具有纯度高、效率高、可操作性强等优点而被认为是大规模获取氢能源的最有效途径之一，但是电解水过程中因阳极析氧反应所需的过电位较高，影响阴极析氢，导致电解水效率低。为了提高电解水效率，传统电解水技术常使用贵金属(氧化铱、氧化钌)做阳极催化剂来减小析氧所需过电位，但由于其高成本和低丰度，极大地限制了电解水技术的工业应用。因此，开发低成本、高催化活性及高稳定性的电解水用阳极析氧催化剂材料成为该领域的研究热点。

过渡金属中，尤其是镍，因其低廉的价格，较好的析氧催化性能及稳定性引起了研究者的广泛关注，但单金属镍(氢)氧化物与贵金属催化剂相比，仍存在催化活性较低的缺点。因此，为了提高镍基材料催化活性，研究者们通过掺杂其他过渡金属，如钴、锰、铁等，制备出了析氧催化活性较高的镍基混合金属(氢)氧化物电极，其中镍铁双金属(氢)氧化物被认为是最有发展潜力的电催化材料。由于材料的催化活性与催化剂的表面形貌、晶体结构密切相关，因此大量的研究致力于通过不同的制备方法，获得具有高比表面积的纳米结构的镍铁双金属(氢)氧化物,比如阳极氧化法、压合-原位沉积法等。这些制备方法虽然在提高催化活性上有一定的效果，但仍存在工艺过程复杂、原材料繁多等缺陷，难以大规模工业应用。因此，开发一种简单便捷、经济高效的方式，制备具有高催化活性的镍铁双金属(氢)氧化物对电解水的大规模工业应用意义重大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种无定形镍铁氧化物纳米片状电催化材料，该材料具有优良的催化活性。本发明的目的之二在于提供上述无定形纳米片状镍铁氧/泡沫镍电催化材料的制备方法，制备工艺简单。本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种无定形镍铁氧化物纳米片状电催化材料，纳米片中镍含量38～49.85wt％，铁含量10.01～24.2wt％，氧含量28.9～36.71wt％。

所述的电催化材料由多个无定形镍铁氧化物纳米片状结构组成星状结构，又进一步多个星状结构组合成绒球结构。

上述所述一种无定形镍铁氧化物纳米片状电催化材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)泡沫镍基体预处理

准备一块泡沫镍，将泡沫镍放置在盐酸溶液(如浓度为3M)的中超声5～10min，然后用去离子水反复冲洗；再将该泡沫镍放置到无水乙醇中超声5～10min，以去除泡沫镍表面的氧化物、油污等杂质；

(2)水热法制备盐化合物

将含有尿素、镍离子和铁离子的水热溶液装入聚四氟乙烯内胆，然后把步骤(1)预处理过的泡沫镍基体倾斜60°放置其中，接着将装有泡沫镍基体及溶液的聚四氟乙烯内胆放置于不锈钢高压釜内并密封，在电热鼓风干燥箱中以100～120℃的温度加热10～12h，然后冷却至室温；