[發明專利]一種析氧反應電催化劑、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 201610851613.5
• 申請日: 2016-09-26
• 公開（公告）號: CN107871875B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 楊維慎;朱凱月;朱雪峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/90;B01J23/755;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 大連格智知識產權代理有限公司 21238
• 代理人: 劉曉琴;張亞男

本發明涉及一種析氧反應電催化劑、其制備方法及應用，所述方法包括將鎳鐵鹽溶液和堿溶液的混合體系暴露于氧化性氣氛中反應的步驟；所述的鎳鐵鹽溶液是可溶性亞鐵鹽和可溶性鎳鹽溶解于水并均勻混合所得溶液；所述的可溶性亞鐵鹽選自硫酸亞鐵、氯化亞鐵或乙酸亞鐵；所述的可溶性鎳鹽選自硫酸鎳、氯化鎳或乙酸鎳。采用本發明的方法生產所述OER催化劑所需設備簡單，操作方便，成本低。同時所制備的Fe³⁺摻雜的β?Ni(OH)₂催化劑呈現納米棒狀微觀形態，具有很好的OER活性，活性和穩定性均優于之前報道的NiFe層狀雙氫氧化物和目前性能最好的IrO₂。因此可作為可再生燃料電池、可充電金屬空氣電池、電解水等領域的電催化劑。

技術領域

本發明屬于電化學催化劑的制備領域，涉及一類可用于催化析氧反應(OER)的Fe³⁺摻雜的β-Ni(OH)₂納米棒的制備方法。

背景技術

現代社會中，人們的衣食住行都緊緊地與能源供應和消費相聯系，如燒火做飯、取暖、照明、交通運輸、工業生產等都離不開能源。可以說，沒有能源工業就沒有現代文明。此外，化石類能源是不潔凈能源，在滿足人們絕大部分能源需求的同時，也向自然界排放了大量的廢水、廢氣、廢渣，造成了酸雨危害、溫室效應、臭氧層破壞和化學定時炸彈的威脅等全球性環境問題。在21世紀，隨著全球經濟的持續發展，其所依賴的化石能源，特別是石油、煤炭、天然氣等正面臨著嚴重的資源枯竭問題，節約資源、高效利用現有資源、開發潔凈能源和新技術是21世紀世界能源科技的主題。而金屬空氣電池具有原材料豐富、安全環保、能量密度高等優點，被稱為“面向21世紀的新型綠色能源”。金屬空氣電池的陽極為活潑金屬(如Mg、Al和Zn等)，放電時金屬M被氧化成相應的金屬離子M+；充電時為金屬離子還原成相應的金屬。陰極活性物質為空氣中的氧氣，放電時O₂被還原成OH-；充電時OH-被氧化O₂析出。金屬空氣燃料電池的燃料金屬M和氧化劑O₂可通過充電過程得以“再生”，起到蓄能作用。

然而由于析氧反應緩慢的動力學過程，氧氣析出需要的電壓遠遠高于熱力學電勢，嚴重限制了可充電金屬空氣電池的應用。到目前為止，IrO₂是在堿性體系中性能和穩定性最好的OER催化劑，但由于其在地球上的含量稀少，價格昂貴，大大限制了它們商業化的應用。因此開發價格低廉、穩定高效的OER催化劑具有重要的意義。

除了貴金屬，同時含有鎳鐵的氧化物或氫氧化物在堿性介質中具有較高的析氧催化活性。有趣的是，單獨的氫氧化鎳和鐵氧化物催化OER的性能很差，但是復合的鎳鐵氫氧化物就表現出優異的OER性能。2014年，Boettcher等人通過原位電化學方法制備出Ni_1-xFe_xOOH薄膜，用于氧氣析出，發現摻入的Fe不僅提高薄膜的導電性還促進了Ni的部分電荷轉移作用，從而明顯提高了OER性能。2015年，Dai等人利用碳納米管的高導電性，將Ni-Fe層狀雙氫氧化物(與α-Ni(OH)₂結構相似)與碳納米管復合得到高性能的OER催化劑，并將其發表在《Journal of the American Chemical Society》上。2016年，Yan等人在《Electrochemistry Communications》報道了通過水熱方法制得納米片狀的Ni-Fe層狀雙氫氧化物用于催化OER。但是之前的研究主要側重在原位電化學生成的鐵摻雜的γ-NiOOH和Ni-Fe層狀雙氫氧化物。此外相比于商業化的IrO₂，這些催化劑仍然存在穩定性差，催化劑合成復雜等問題。

發明內容

本發明旨在針對現有OER催化劑價格昂貴、催化電流密度低，過電位高、穩定性差、合成方法復雜問題，提出解決方案。為此本發明系統地提供一種析氧反應電催化劑、其制備方法及應用。