[发明专利]一种空心六面体F掺杂FeVNi氢氧化物的制备及电催化ORR应用

说明书

本发明提供了一种空心六面体F掺杂FeVNi氢氧化物的制备方法及其电催化氧还原应用。本发明应用一步水热法制备具有优异ORR催化性能的材料。0.1M KOH中的起始电势仅为1.43 V，实现100 mA·cm^‑2的高电流密度的过电势仅为280 mV，该材料在ORR领域有优异的催化性能，在本发明能够简单、便捷、低廉地制备出高催化活性、高稳定性的纳米ORR催化剂，解决目前ORR催化材料昂贵稀缺等难题，为从化石燃料向可持续能源的过渡贡献一份力。

技术领域

本发明涉及无机纳米粉体的制备及电催化氧还原应用领域，具体涉及一种基于水热法制备空心六面体F掺杂FeVNi氢氧化物的方法及其在电催化氧还原领域的应用。

背景技术

氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）是金属-空气电池以及燃料电池实现能源转化的重要反应。氧气经过二电子过程形成过氧化物或经过四电子过程形成水完成电子转移。氧还原反应路径较复杂，中间体生成较多，反应活化能较高，本征动力学速率缓慢，因而氧还原反应效率成为限制两类器件性能的关键因素。燃烧不可再生化石燃料产生的气体排放被认为是加剧全球变暖和大气污染的主要原因，用可再生的清洁能源替代化石燃料可以有效缓解燃烧化石能源带来的环境问题。以洁净的氢气为燃料并且仅仅排放水的氢氧燃料电池，是一种高效的清洁能源供应装置，非常适合用于汽车等长途运载工具。基于燃料电池的燃料电池电动汽车（FCEVs）也已经被推出，在成本，安全性和续航里程等方面较现阶段锂离子电池电动汽车有较大优势。

传统的铂、铂合金以及其他贵金属催化剂具有良好的氧还原催化活性但成本高昂、储量稀缺，且在工作环境中易发生毒化现象（如受到甲醇、CO影响），从而使其规模化应用受到限制，从成本和可持续发展的角度来看，发展高性能（兼具高活性和高稳定性）、低成本的氧还原电催化剂是推动燃料电池以及金属-空气电池发展的重要方向之一。

尽管如此，基于贵金属催化剂的燃料电池的高成本依然是阻止FCEVs被广泛推广的主要原因。最关键的因素是燃料电池阴极上缓慢的氧还原反应（ORR）的动力学过程。加速缓慢的四电子（4e^-）转移ORR过程需要使用大量贵金属催化剂，因此急剧增加了燃料电池的总成本。为了满足燃料电池市场化大规模生产的要求，人们倾向于使用成本更低的基于非贵金属（NPM）的ORR催化剂。

掺杂手段可以通过对本征材料局域电子的微调作用成功地提升费米面能级附近的载流子浓度，从而实现催化活性的大幅度提升。同时，杂原子的引入对材料的形貌结构也产生巨大影响，通过调控掺杂量进而获得有利的形貌结构，实现催化活性的进一步提升。近期研究表明氟原子掺杂作为阴离子掺杂的重要手段，可以高效的调控优化材料的电子性质、激活活性位点从而实现高效的电催化氮还原性能。另外，三维材料也已经在众多领域实现重大突破。鉴于此，本发明提供了一种空心六面体状F掺杂FeVNi氢氧化物纳米粉体作为一种高效的电催化剂。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种空心六面体状F掺杂FeVNi氢氧化物纳米粉体的制备及电催化氧还原应用。为解决上述问题本发明的技术方案为：

1 . 一种空心六面体状F掺杂FeVNi氢氧化物纳米粉体的制备方法，制备步骤如下：在乙二醇和异丙醇混合的反应溶液中依次加入钒、铁、镍源制得反应液搅拌一段时间，再加入氟源和尿素搅拌至充分溶解后加热反应液一定时间，自然冷却、洗涤收集得到F掺杂FeVNi氢氧化物纳米粉体。

2 . 一种空心六面体状F掺杂FeVNi氢氧化物纳米粉体的制备方所述实验步骤中，反应溶液为乙二醇和异丙醇的混合溶液，乙二醇的体积为10 ~ 30 mL；其中乙二醇的最优体积为20 mL。

3. 一种空心六面体状F掺杂FeVNi氢氧化物纳米粉体的制备方所述实验步骤中，反应溶液为乙二醇和异丙醇的混合溶液，异丙醇的体积为10 ~ 30 mL；其中异丙醇的最优体积为20 mL。