[发明专利]一种中空硒化铁镍多面体材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料合成领域，公开了一种中空硒化铁镍多面体材料及其制备方法和应用。该制备方法是先将金属有机框架ZIF‑8和镍前驱体加入甲醇溶液中，得到中空氢氧化镍多面体材料；再将铁氰化钾水溶液和得到的中空氢氧化镍多面体材料加入乙醇溶液中，得到中空镍铁双金属有机框架多面体材料；将得到的中空镍铁双金属有机框架多面体材料和硒粉进行加热处理，得到中空硒化铁镍多面体材料。本发明的制备方法简便可控，所制备的中空硒化铁镍多面体材料具有独特的中空结构、杂原子掺杂和碳材料复合等特点，其具备丰富的催化活性位点，方便离子传输，从而增强其导电性，是一种结构稳定、电催化析氧性能优良的催化剂。

技术领域

本发明属于材料合成领域，具体涉及一种中空硒化铁镍多面体材料及其制备方法和应用。

背景技术

电力驱动的水分解已成为生产清洁可再生氢的非常前途的策略。然而，阳极发生的析氧反应(OER)因涉及复杂的多电子转移反应成为限制水分解效率的主要瓶颈。因此，迫切需要高效的OER催化剂来降低能量势垒，从而减少过电位(η)。尽管贵金属(如Ir和Ru)基催化剂表现出优异的OER性能，但稀缺性和高成本严重限制了其大规模应用。近年来，硒化镍因其高导电性、低带隙、高化学稳定性和低成本等优势成为一种前景较好的OER催化剂。然而，硒化镍催化剂的催化活性还远远不能满足实际应用的要求。因此，研究出一种工艺简单，价格低廉，重复性高，结构稳定且催化性能优良的金属硒化物材料对于OER反应具有非常重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种中空硒化铁镍多面体材料及其制备方法和应用，具体采用以下的技术方案：

根据本发明的第一方面，一种中空硒化铁镍多面体材料的制备方法，包括以下步骤：

先将金属有机框架ZIF-8和镍前驱体加入甲醇溶液中，进行溶剂热反应，得到中空氢氧化镍多面体材料；再将铁氰化钾水溶液和得到的中空氢氧化镍多面体材料加入乙醇溶液中，搅拌均匀，离心、洗涤、干燥，得到中空镍铁双金属有机框架多面体材料；最后在升温速率为3℃/min的条件下，将得到的中空镍铁双金属有机框架多面体材料和硒粉进行加热处理，当温度升至350℃时反应结束，得到中空硒化铁镍多面体材料。

本发明通过电子调制以及构建有利的几何结构来提高合成材料的催化性能，一方面将铁金属原子掺入到硒化镍晶格中可以通过合理调节其d带中心，从而平衡活性位对含氧中间体的吸附和解吸能力，可以显著提高其催化性能；另一方面设计构造中空结构，可以暴露更多的电化学活性位点从而提高电催化性能。

本发明的制备方法简便可控，所需原料来源广泛、价廉易得。所制备的中空硒化铁镍多面体材料具有独特的中空结构、杂原子掺杂和碳材料复合等特点，其具备高比表面积，高传质效率以及快速的电荷传输等优势，能够产生丰富的表面活性位点和高扩散效率，方便离子传输，从而增强其导电性，是一种结构稳定、OER催化性能优良的催化剂，更适用于工业生产方面。

本发明所使用的金属有机框架ZIF-8的制备过程：将二水乙酸锌和2-甲基咪唑加入甲醇中，在室温下搅拌1h，静置24h，离心、洗涤、干燥，得到金属有机框架ZIF-8。二水乙酸锌和2-甲基咪唑的质量比为0.878g：1.314g。

优选地，镍前驱体包括硝酸镍、氯化镍、硫酸镍中的至少一种。

优选地，金属有机框架ZIF-8、镍前驱体和甲醇的比例为180mg：(540mg-1260mg)：(20mL-40mL)。更为优选地，金属有机框架ZIF-8、镍前驱体和甲醇的比例为180mg：900mg：30mL。当金属有机框架ZIF-8过量时，会导致刻蚀不完全，难以形成中空结构，可能会形成核壳结构，无法达到本发明所需的结构。当镍前驱体过量时，形成的中空多面体的壁厚会增加，影响传质速率。而作为更为优选比例得到的中空氢氧化镍多面体材料壁厚适中，中空结构稳固不会坍塌，便于后续实验。

优选地，溶剂热反应的温度为90℃-150℃，时间为0.5h-2h。