[发明专利]一种高铁酸盐改性的水氧化电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供的一种高铁酸盐改性的水氧化电催化剂及其制备方法和应用，以碳材料为基体，向其溶液中加入镍盐、锰盐、尿素和高铁酸盐，再经水热反应后即可制得高铁酸盐改性的NiFe双金属氢氧化物/碳复合材料，该材料富含铁空位和镍空位并对水氧化显示出优异的电催化活性。通过控制高铁酸盐的用量可以得到不同含量的铁空位和镍空位，铁空位的含量在5％‑40％，镍空位的含量在4％‑25％。该复合催化剂还具有制备方法简单，形貌均匀等优点，将其应用在电解水领域，可为解决当前日益严重的能源危机和环境污染问题提供一条切实可行的思路。

技术领域

本发明属于催化剂领域，涉及一种高铁酸盐改性的水氧化电催化剂及其制备方法和应用，具体为高铁酸盐改性的NiFe双金属氧化物纳米材料制备及其在水氧化方面的应用。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加剧，人们需迫切开发一种清洁、可持续发展的新型能源。氢气由于能量密度高、环境污染小等特点而受到广泛的关注。目前，电解水产氢由于简单、高效而被广泛研究。

电解水反应的水氧化过程由于涉及4电子过程致使动力学过程缓慢，因而需要高的过电势驱动反应进行。传统的贵金属催化剂因昂贵的价格和匮乏的储量限制了其商业化发展。因此电解水技术的关键是设计构造出电催化活性高且廉价易得的水氧化电催化剂，从而代替传统的贵金属催化剂。

NiFe双金属氢氧化物目前认为是水氧化电催化剂最具有竞争力的候选材料之一。但是，由于NiFe LDH导电性差、传质速率慢使其活性不能满足商业需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高铁酸盐改性的水氧化电催化剂及其制备方法，通过水热反应制备得到富含铁空位和镍空位的NiFe双金属氢氧化物/碳复合材料，是高铁酸盐改性的水氧化电催化剂。该催化剂中由于高铁酸盐在加热作用下产生Fe²⁺和Ni³⁺使NiFe双金属氢氧化物产生铁空位和镍空位，并且铁空位的含量达到40％，镍空位的含量达到25％；有利于提高材料的性能，且本发明制备方法简单、产品形貌均匀。

本发明还有一个目的在于提供一种高铁酸盐改性的水氧化电催化剂在水氧化电催化的应用。

本发明具体技术方案如下：

一种高铁酸盐改性的水氧化电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

A、将碳材料分散在溶剂中，形成分散均匀的分散液；

B、在搅拌条件下，将镍铁混合溶液逐滴滴加到步骤A制备的分散液中，然后加入尿素和高铁酸盐，水热反应，即得高铁酸盐改性的水氧化电催化剂。

步骤A中所述碳材料和溶剂用量比为0.2-20mg/ml；

步骤A中通过超声将碳材料分散在溶剂中，超声时间0.5-2h，形成分散均匀的分散液；

步骤A中所述碳材料选择炭黑、石墨烯或碳纳米管中一种或几种。

步骤A中所述溶剂为水和醇任意比例的混合溶剂；也可以是纯水或纯醇；所述醇优选为甲醇、乙醇或乙二醇；所述水和醇的体积比优选为1:1；

步骤B中所述镍铁混合溶液制备方法为：将镍盐和铁盐溶解在溶剂中；所述镍盐和铁盐的总质量与溶剂的用量比为1-150mg/mL；所述镍盐和铁盐的摩尔比为2:1-25:1；

镍铁混合溶液制备中，所述镍盐选自可溶性镍盐，优选为六水合氯化镍、六水合硝酸镍、六水合硫酸镍或四水合醋酸镍中一种或多种；所述铁盐为可溶性铁盐，优选为六水合硝酸锰、六水合氯化铁和水合硫酸铁；

镍铁混合溶液制备中，所述溶剂为水和醇任意比例的混合溶剂，与步骤A中所述的混合溶剂相同。

步骤B所述镍铁混合溶液和步骤A的分散液体积比为0.1：1-10：1；