[发明专利]结构可控的空心钴酸镍纳米线/片状氧化锰核壳阵列材料及制备方法

说明书

一种结构可控的空心钴酸镍纳米线/片状氧化锰核壳阵列材料，由如下方法制备：将硝酸钴、硝酸镍、尿素溶解于乙醇/水的混合溶液中，再加入处理后的碳布，水热反应后，晶格洗涤、离心、干燥得到碳布上均匀生长的镍钴前驱纳米线阵列；将所得镍钴前驱纳米阵列放入高锰酸钾溶液中，水热反应，经过洗涤、离心、干燥得到镍钴锰混合前驱阵列；将前驱体在氮气气氛中煅烧，形成生长在碳布上的空心钴酸镍纳米线/片状氧化锰核壳阵列材料。以及提供一种结构可控的空心钴酸镍纳米线/片状氧化锰核壳阵列材料的制备方法。本发明制备工艺简单，可以有效的制备具空心钴酸镍纳米线/片状氧化锰核壳阵列材料，在常温常压下，制得的材料具有优异的电解水产氧性能。

(一)技术领域

本发明涉及研究一种结构可控的空心钴酸镍纳米线/片状氧化锰核壳阵列材料及其制备方法，该材料可以应用于电催化水分解。

(二)背景技术

为了满足日益增长的能源需求，清洁、可持续的能源引起了人们的极大关注，如氢、太阳能、风能和潮汐能。在这些可再生能源中，氢作为一种能源载体，具有取代化石类燃料的极大潜力。电催化水分解为大规模氢能源生产提供了一种很有前途的环保方法。通常，在电解水的过程中，因阳极氧析出反应(OER)动力学缓慢，导致有明显的效率损失和过电位。为了克服这一关键问题，需要设计开发一种高效的电催化剂来促进动力学过程，并减少氧析出反应过程中的过电位。传统的贵金属RuO₂和IrO₂具有较高的OER活性，然而高成本和稀缺性阻碍了其在商业水电解中的实际应用。因此，开发低成本、高催化活性及高催化稳定性的非贵金属型OER电催化剂非常重要。

过渡金属(如Ni、Co、Fe)材料因其在碱性电解液中稳定性高且对环境无害，是一种很有前途的OER电催化剂。其中，尖晶石型钴基氧化物，因其催化活性高、制备方便、价格低廉而备受关注。作为一种典型的尖晶石型电催化剂，Co₃O₄在OER过程体现了高效的催化活性和良好的耐腐蚀性。此外，将其他金属原子加入Co₃O₄尖晶石结构中，如Ni、Zn、Fe，可进一步提高Co₃O₄的电催化活性。众所周知，钴酸镍(NiCo₂O₄)因其有特殊的尖晶石结构，可增加催化活性位点，增强导电性(比Co₃O₄高100倍)。在该结构中，Co分布在四面体和八面体的位置上，Ni占据了八面体的位置，形成了不同的价态。因此，由于这两种氧化还原电对(Co³⁺/Co²⁺和Ni³⁺/Ni²⁺)的存在，可以获得显著的电催化活性位点。尽管NiCo₂O₄催化剂已经取得了一定的进展，但是在实际应用中，其催化性能还有待进一步提高。近年来，超薄二氧化锰纳米片作为一种二维层状材料，在OER电催化剂方面得到了广泛的研究(A.Thenuwara,E.Cerkez,S.Shumlas,N.Attanayake,I.McKendry,L.Frazer,E.Borguet,Q.Kang,R.Remsing andM.Klein,Nickel confined in the interlayer region of birnessite:an activeelectrocatalyst for water oxidation(限域在水钠锰矿层间的镍催化剂用于电化学水氧化).Angew.Chem.Int.Ed.,2016,55 10381)。该二维层状MnO₂由边缘共享的MnO₆八面体组成，由于其独特的电子结构特性，对OER具有良好的电催化性能。超薄MnO₂纳米片提供了足够的活性位点，并具有高导电性，从而具有优异的OER催化性能。因此，合理结合NiCo₂O₄和MnO₂的优点，是进一步提高NiCo₂O₄对OER电催化性能的一个有前途的策略。