[发明专利]一种核壳FeOOH@NiFe LDH电催化材料及制备方法

说明书

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及一种核壳FeOOH@NiFe LDH电催化材料及制备方法。本发明针对目前NiFe LDH无法同时发挥镍铁两种活性位点的活性以及体系环境复杂的问题，提出了一种全新的晶片垂直交错的核壳FeOOH@NiFe LDH异质微球催化材料。本发明还提出所述材料的制备方法，该方法仅使用分步水热法即完成了对镍铁比例的差异化控制，精确构筑了镍铁异质结构，能最大程度地保留FeOOH和NiFe LDH两个活性位点。所述材料在1M KOH中表现出优异的OER活性，在10mA·cm^‑2的条件下过电位最低低至192mV。在连续水电解20h后，表现出优异的电化学耐久性。本发明阐述的制备方法工艺稳定性好、成本低廉、设备要求不高、催化性能优异，具有较强的市场竞争力。

技术领域

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化领域，具体涉及一种晶片垂直交错的核壳FeOOH@NiFe LDH异质微球催化材料及其制备方法。

背景技术

近年来，能源短缺与环境污染的问题日益突出，亟待解决。氢能源由于高能量密度和其环境友好性，被认为是最有希望取代传统化石燃料的可持续能源。电解水制氢被认为是一种简单有效的大规模清洁制氢技术。然而，电解水反应的半反应析氧反应(OER反应)因其缓慢的动力学而大大降低了水分解的整体效率，因此，在阳极处发生的OER反应是水电解的速率决定步骤。为了提高反应速度，工业上迫切需要高效的催化剂来促进这一过程以节省生产成本。目前，钌/铱基氧化物在工业生产中被认为是最佳的OER催化剂，但其作为贵金属的稀缺性和高成本限制了其更广泛的生产应用。因此，制备高效且稳定性良好的低成本非贵金属基催化剂具有重要意义。

迄今为止，廉价的过渡金属材料(氧化物/(羟基)氢氧化物)由于其丰富的地球资源和显著的OER反应催化性能，被认为是在碱性条件下替代贵金属的有前途的替代品。层状双金属氢氧化物也称类水滑石，是八十年代后期开始被广泛重视并开展研究的一类新型层状材料，其分子组成为[M²⁺_1-x M³⁺_x(OH)₂](A^n-)_x/n·mH₂O。

在众多层状双金属氢氧化物中，镍铁层状双金属氢氧化物(NiFe LDH)因其优异的性能得到了广泛关注，其优异的性能主要来自于组分中的Ni(OH)₂与FeOOH两种活性位点。如中国专利CN110129815A公开了一种TM-NiFe LDH的电极材料，主要利用Ni活性位点来达到增强OER反应催化性能的目的；再比如中国专利CN111686736A公开了一种含高活性高价态铁的NiFe LDH/NF电解水催化剂的制备方法，主要利用了铁作为活性相进行催化反应。但是，由于NiFe LDH中镍铁分布是十分不均匀的，并且NiFe LDH本身铁相对含量更少，同时发挥NiFe LDH中两种活性位点的手段还未见报道。

为了得到性能更好的催化剂电极材料，也有很多报道采用了添加多种组分，引入更多的活性位点，构造出十分复杂的体相组成结构，如中国专利CN201910635219.1所公开的NiFe LDH/Ti₃C₂/Bi₂WO₆纳米片阵列，充分发挥了各组分的性能优势。但是，由于原料过多导致合成较为困难，并且复杂成分可能会对NiFe LDH本身的活性位点造成干扰，不利于其发挥性能，甚至导致催化性能不如LDH本身。另外，过于复杂的体系也会带来重现性不好的问题。

至今，还未曾公开一种能够同时利用镍铁两种活性位点、且不外加其它元素就可以得到性能优异的析氧反应催化剂电极材料。这种材料的制备难点在于需要梯度调控镍铁比例，甚至促进两种组分偏析，从而保证两种金属活性位点同时存在。这种多活性位点的异质材料将会具有优异的析氧反应催化性能。