[发明专利]一种碳载NiO/NiFe2

说明书

本发明公开了一种碳载NiO/NiFe₂O₄尖晶石型固溶体电解水析氧催化剂的制备方法及其应用。制备方法为：通过水热反应制得花球状镍/铁双金属氢氧化物(NiFe‑LDH)，通过高速剪切与超声波的空化效应将纳米片剥落，随后与单层氧化石墨烯(GO)进行组装并还原得到LDH‑rGO。将其在低浓度的Fe(OH)₃胶体中充分浸渍，在LDH‑rGO表面引入铁离子，以便形成更多的催化活性位点。经高温煅烧后形成rGO负载的尖晶石型NiO/NiFe₂O₄异质复合催化剂，其中NiO主要以固溶体形式存在于NiFe₂O₄晶格中。制备得到的复合纳米析氧电催化剂比表面积大，具有丰富的催化活性位点，还兼具良好的导电率。本发明所述析氧催化剂与商业RuO2相比具有成本低廉，催化活性高，稳定性好等优点，在碱性水电解中有广泛的利用价值。

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rGO负载的NiO/NiFe₂O₄尖晶石型固溶体电解水析氧催化材料及其制备方法。

背景技术

目前绝大多数的氢气生产仍然依赖于天然气重整等化石能源参与的反应，水电解制氢提供了一条可以零碳参与的制氢方式，仅需要提供电能和水，即可方便地获取氢能。碱性水电解是目前最为成熟的电解水制氢技术，而制约水分解产氢效率主要是动力学过程缓慢的析氧反应，目前市面上主要的贵金属催化剂有RuO₂、IrO₂，而他们的稀缺性和昂贵的价格限制了大规模应用。因此开发一种低成本，高性能的OER电催化剂是当前研究的热点问题。

在众多催化剂体系中,尖晶石型过渡金属氧化物具有廉价、高耐用性和导电性，是十分有前景的OER催化材料，目前合成尖晶石型过渡金属氧化物方法有很多种，如水热，溶剂热，燃烧法，固相法及共沉淀法等。如中国专利CN108298597A公布了一种尖晶石的制备方法，将尖晶石前驱体于700℃～1100℃下煅烧,得到二价金属铁基尖晶石。但是该方法要求较高的煅烧温度，所需能耗较高。为了进一步提高活性，研究表明，通过不同组分的杂交即构筑异质结构是一种有效的手段。如中国专利CN111420663 A发明了一种铜铝尖晶石固溶体结构，但是铜铝金属氧化物在析氧反应中没有镍铁的活性高，OER过电位仍需进一步降低。研究表明，层状双金属氢氧化物具有优异的OER性能，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，具有优异的催化性能，但是其稳定性不如尖晶石，不利于工业化应用，如果能通过煅烧LDH直接获得尖晶石，可能会获得更高的性能。

本方法经过水热合成得到NiFe LDH前驱体。将前驱体通过高速剪切搅拌与超声进行剥离，随后与单层氧化石墨烯进行静电自组装，初步化学还原后，在低浓度的Fe(OH)₃胶体中浸渍，在其表面引入Fe活性位点。最后经过煅烧制得rGO负载的NiO/NiFe₂O₄尖晶石型固溶体复合催化剂。具有较高的比表面积和出色的催化活性。

发明内容

本发明通过一种通过简单的静电作用将剥离的镍铁水滑石与还原氧化石墨烯进行组装。将得到的复合材料在低浓度的Fe(OH)₃中浸渍，在材料表面再次引入活性位点，经惰性气体下高温煅烧，得到rGO负载的NiO/NiFe₂O₄尖晶石型异质复合催化剂，其中NiO主要以固溶体形式存在于NiFe₂O₄的晶格中。依据该方法制备出的析氧电催化剂可以大幅度改善传统LDH的电化学性能，使电解水反应可以在较小的过电位下高效进行。

所述析氧电催化剂的制备方法如下：