[发明专利]一种析氧铁酸镍或铁酸钴/炭黑复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种析氧铁酸镍或铁酸钴/炭黑复合催化剂及其制备方法和应用，该复合催化剂由纳微米棒状M(Ni/Co)Fe₂O₄插入在三维多孔炭黑的孔隙中构成；其制备方法是将镍盐和/或钴盐与铁盐、酒石酸钠、炭黑及水混合后，进行水热反应，得到前驱体；前驱体置于保护气氛中，进行焙烧，即得；该制备工艺简单、成本低，有利于工业化生产；所得复合催化剂具有活性高和稳定性好的特点，应用于水的电分解或金属‑空气二次电池析氧过程，综合性能超越商业RuO₂催化剂，展现出良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种析氧(OER)复合催化剂及其制备方法和应用，特别涉及一种高性能析氧M(Ni/Co)Fe₂O₄/炭黑复合催化剂及其制备方法，还涉及M(Ni/Co)Fe₂O₄/炭黑复合催化剂在电解水或金属-空气二次电池中的应用，属于电催化技术领域。

背景技术

OER是水分解、金属-空气二次电池等储能和能量转换过程的关键反应之一。然而，电极极化和电阻带来的过电位以及复杂的四电子过程导致的动力学缓慢需要高效的电催化剂减少其过电位和加快OER速率。目前，贵金属Ir基或Ru基材料(如IrO₂和RuO₂)被认为是OER过程最高效的催化剂。但储量低、价格高和稳定性差严重阻碍了它们的大规模应用。因此，急需开发综合性能优异的非贵金属替代物。过渡金属(尤其是Fe、Co、Ni)基电催化剂，包括氧化物、层状双金属氢氧化物、硒化物、硫化物等，由于其成本低廉、活性高和碱性条件下稳定的优点，近年来作为有潜力的OER电催化剂被广泛研究。其中，尖晶石金属氧化物，尤其是铁酸盐，由于具有多种氧化还原态、良好的电化学稳定性、高储量、低成本等优点，被认为是理想的贵金属氧化物催化剂的替代物。但是由于P型半导体的本性，铁酸盐存在导电性较差的缺陷，而且通常使用的热解法所制备的铁酸盐纯度较低，往往要经过后处理除去杂质。

发明内容

针对现有技术中的铁酸盐(铁酸镍或铁酸钴)OER电催化剂存在的电导率低而致其活性低和稳定性差以及热解法所制备的铁酸盐纯度低的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种由纳微米棒状铁酸盐(铁酸镍或铁酸钴)插入在三维多孔炭黑孔隙中构成的析氧MFe₂O₄/炭黑复合催化剂，该催化剂中铁酸镍或铁酸钴的纯度高，且具有特殊的微纳米棒状结构，比表面积大，且稳定分散在三维多孔炭黑孔隙中，表现出更高的析氧活性及稳定性，综合性能超过商用RuO₂催化剂。

本发明的第二个目的是在于提供一种高性能析氧MFe₂O₄/炭黑复合催化剂的制备方法，该制备方法简单，成本低，满足工业生产应用要求。

本发明的第三个目的是在于提供所述高性能析氧MFe₂O₄/炭黑复合催化剂在电解水或金属-空气二次电池的应用，在碱性介质中，MFe₂O₄/炭黑复合催化剂的OER综合催化性能超过商用RuO₂催化剂。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种析氧MFe₂O₄/炭黑复合催化剂，其由纳微米棒状MFe₂O₄插入在三维多孔炭黑的孔隙中构成，其中，M为镍和/或钴。