[發明專利]鎳鈷羥基氧化物摻雜氧化石墨烯的析氧催化材料

在審

• 申請號: 201711204918.8
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107961793A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 李作鵬;武美霞;尚建鵬;蘇彩娜;郭永
• 申請（專利權）人: 山西大同大學
• 主分類號: B01J23/755
• 分類號: B01J23/755;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 北京五月天專利商標代理有限公司11294
• 代理人: 李永聯

技術領域

本發明屬于功能催化劑及其制備和應用領域，特別涉及過渡金屬鎳鈷羥基氧化物摻雜氧化石墨烯的析氧催化材料及其制備和應用。

背景技術

風能、太陽能、潮汐能等可再生能源，具有不同于傳統能源的優勢，如分布廣、能量大、零排放、環境友好等特點，被稱為“取之不盡，用之不竭”的能源，越來越受到科研工作者的青睞。但也存在致命的缺點，如能源的間歇性、不易儲存和運輸等。以上述可再生能源為驅動的電解水制氫技術，可將其轉化為清潔高效的氫能，有效避免了這些可再生能源的間歇性、不易存儲和運輸等缺點，被認為是通向氫經濟的最佳途徑。整個電解水的過程可以分為兩個半電池反應，即析氫反應和析氧反應。其中，氧氣析出反應由于其低效率且復雜的四電子轉移過程，嚴重影響了電化學分解水的應用。因此，尋求適合的高效OER催化劑成為電解水制氫研究的重點。

在所有OER催化材料中，Ru以及Ir基的氧化物具有最好的催化性能，然而它們的稀少儲量以及高昂價格限制了它們的應用。由此，儲量豐富、價格相對低廉的非貴金屬OER電催化劑成為研究熱點，主要包括：(1) 鎳基合金，鎳-鉬、鎳-鐵、鎳-鈷、鎳-銅等合金等都具有良好的OER催化活性，但實際電解過程電極的腐蝕卻不可避免，因此實際應用受到限制。(2) ABO₃鈣鈦礦型氧化物，主要包括 CoFe₂O₄、NiFe₂O₄、CoFe_2-xNi_xO 等鐵氧體和鈷基尖晶石氧化物(如NiCo₂O₄、Co₃O₄)。其中 Co₃O₄在堿性體系中展現出良好的OER催化活性。(4) 碳材料：雜原子摻雜的碳材料如石墨烯、碳納米管、C3N4也作為一種潛在的OER催化劑受到廣泛關注。然而，上述材料的催化活性仍然亟需提高，以此來滿足實際應用的性能需求，由此我們意識到，發展一種簡便經濟的方法來實現具有高催化活性的非貴金屬電催化劑將會有效促進電催化分解水的實際應用。

在已有研究的陽極析氧催化材料中，過渡金屬/碳材料組成的納米復合材料由于其來源豐富，種類多樣，組分、結構、形貌等可調控，擁有優異的物理、化學性能，作為高效水解制氫用析氧催化劑受到國內外科研人員的廣泛關注和研究。目前制備過渡金屬/碳納米復合材料的方法主要有：（1）電弧放電法，Jiang等人采用電弧放電法制備了NiCo_0.16Fe_0.34- CNTs納米復合材料，該方法對儀器要求比較苛刻，制備過程中使用H₂，操作比較危險；（2）化學氣相沉積法，馬磊等采用流化床氣相沉積法在TiO₂/Fe-Ni原位沉積CNTs得到了CNTs/ TiO₂/Fe-Ni復合光催化劑，該方法對設備要求嚴格，生產成本較高，難以制備N摻雜的過渡金屬/碳復合材料；（3）浸漬-還原法，Qiao等人采用浸漬-還原法兩步制備了Ni-NG(N摻雜石墨烯)復合納米材料，該方法制備過程比較繁瑣，需要將石墨氧化制備氧化石墨，然后肼還原制備NG，再浸漬Ni2+，最后還原得到Ni-NG，并且該法制備的Ni-NG中Ni不能均勻的分散在 NG上；（4）高溫固相分解法，該方法操作簡單易行，安全性能好，是目前制備過渡金屬/碳納米復合材料采用較多的方法。Liu等人將1，10-鄰菲羅啉鐵與ZIFs系列金屬有機骨架材料混合，采用一步高溫固相分解法制備了Fe-NC納米復合材料，但是ZIFs系列金屬有機骨架材料配體價格昂貴，合成工藝復雜。

而采用廉價易得的鎳鹽、鈷鹽及碳源通過水熱法合成制備過渡金屬羥基氧化物摻雜氧化石墨烯的析氧催化材料的發明方法還未見報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種過渡金屬鎳鈷羥基氧化物摻雜氧化石墨烯的析氧催化材料及其制備和應用，本發明該催化劑表現出良好的電化學性能，在陽極析氧過電位為323mV時達到120mA/cm2的電流密度。

本發明涉及一種過渡金屬羥基氧化物摻雜氧化石墨烯復合催化劑，其特征在于：所述過渡金屬羥基氧化物摻雜氧化石墨烯復合催化劑包括氧化石墨烯和Ni_xCo_1-xOOH，其中x為0.5-0.9。

在本發明的一個優選實施方式中，所述的x為0.6-0.8。