[发明专利]一种超薄层状FeNi-LDH-FePc@MXene双功能催化剂及制备方法

说明书

一种超薄层状FeNi‑LDH‑FePc@MXene双功能催化剂及制备方法，属于能源材料及电化学技术领域。本发明以MXene为载体，铁盐、镍盐和FePc作为金属源，合成复合催化剂。本发明将FePc负载在MXene表面上，可以降低FePc的电子云密度，有利于进一步提高材料的ORR活性，形成了ORR/OER双功能催化剂。该超薄层状FeNi‑LDH‑FePc@MXene双功能催化剂具有类似于单片层结构，相对于多层的铁镍双金属氢氧化物可以暴露出大量的活性位点，并且单片层结构有利于电子的迁移和物质的传输，提高OER催化活性。在碱性条件下，该催化剂的ORR活性高于商业Pt/C，其OER活性高于RuO₂。本发明中，制备超薄层状FeNi‑LDH‑FePc@MXene催化剂的原料来源广、成本低廉，制备工艺简单，有利于大规模的生产。

技术领域

本发明属于能源材料及电化学技术领域，涉及氧电极阴极氧还原反应和氧析出反应催化剂。具体涉及一种超薄层状铁镍双金属氢氧化物(FeNi-LDH)与酞菁铁(FePc)共同负载到MXene上，形成FeNi-LDH-FePc@MXene双功能催化剂及其制备方法。

背景技术

随着人类技术的发展，传统的不可再生能源正在面临着枯竭的风险。因此，金属空气电池近年来受到国内外学者们的广泛研究。然而金属空气电池氧电极的氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)存在动力学过程较慢的问题。截止目前，商用的ORR和OER催化剂主要是贵金属催化剂，主要为Pt/C、RuO₂/IrO₂催化剂等。但是，铂基和钌基催化剂成本高、全球储量少和稳定性差，而且分别只能单一催化ORR或OER，而不能作为双效催化剂使用，因此限制了其在金属空气电池中的大规模使用，所以开发具有高催化活性、高稳定性和成本低廉的催化剂具有重要的科学意义和应用价值。

目前研究表明金属-氮-碳材料，尤其是Fe-N-C催化剂具有优异的ORR催化性能，并且由于成本低、导电性高、稳定性和抗一氧化碳中毒能力优异被认为是最有应用前景的非贵金属ORR电催化剂。但是其OER性能不能满足实际需求，而且碳载体在OER(1.229V)高电位运行条件下会发生电氧化生成CO₂，破坏催化剂的稳定性及活性，因此想要获得高性能双功能氧电极催化剂，需要同时对OER活性位点和载体进行设计构筑。双金属氢氧化物作为OER催化剂表现出极大的应用前景。例如，Xiumin Li等人[Journal of Power Sources,2017,347,193-200]提出了一种原位插层法来扩大电沉积镍铁层状双氢氧化物(LDH)电极层间间距。与传统的电极制备方法(先插层/剥落LDH粉末，再涂覆于基体上)相比，该方法具有较好的界面连接性和稳定性。他们发现镍铁LDH材料的夹层距离可以从7.8增加到通过电化学测试可知，其在10mA cm^-2处的OER过电位仅为203mV。WeiSun等人[AppliedSurface Science,2019,485,41-47]报道了一种以Fe、N共掺杂纳米碳纤维为支撑的FeNiLDH三维复合催化剂。Fe、N共掺杂纳米碳纤维，不仅提高了导电性能，而且暴露了更多的活性位点，为传质提供了丰富的多孔结构。复合催化剂的OER过电位仅为0.263V，对OER表现出良好的活性；同时，这种催化剂在1.0～1.6V的1000次循环后几乎没有衰减。FeNi LDH具有优良的OER催化活性，但是其几乎没有ORR催化活性，并且多层的铁镍层状双金属氢氧化物的传质速度较慢。