[發(fā)明專利]室溫方法制備高性能的鐵摻雜鎳或鈷基非晶態(tài)羥基氧化物催化劑及其高效電解水制氫研究

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911039114.6
• 申請(qǐng)日: 2019-10-29
• 公開（公告）號(hào): CN112808274A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周海青;曾勁松;廖禮玲;李東陽;余芳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南師范大學(xué)
• 主分類號(hào): B01J23/75
• 分類號(hào): B01J23/75;C25B1/04;C25B11/091;C25B11/061
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開室溫方法制備高性能的鐵摻雜鎳或鈷基非晶態(tài)羥基氧化物催化劑及其高效電解水制氫研究，屬于電催化材料制氫技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明技術(shù)方案要點(diǎn)：采用FeCl₃·6H₂O、乙醇混合為前驅(qū)體溶液對(duì)宏量化生產(chǎn)泡沫鎳、鈷等導(dǎo)電基底進(jìn)行表面緩慢腐蝕，在其表面原位生長出鎳鐵或鈷鐵氧化物催化劑。我們創(chuàng)造性地引入化學(xué)還原反應(yīng)，利用室溫的化學(xué)腐蝕在商業(yè)化的金屬導(dǎo)電基底上獲得優(yōu)異的析氧催化劑。這種獨(dú)特的材料合成路徑使得非貴金屬鈷或鎳基析氧催化劑經(jīng)過原位鐵摻雜后，在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的析氧活性，在大電流度500 mA/cm²的過電位降低到280毫伏左右，且在1.5 A/cm²或以上大電流環(huán)境運(yùn)行穩(wěn)定，適合工業(yè)規(guī)模化應(yīng)用，助力我國氫燃料汽車及氫能產(chǎn)業(yè)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電催化材料用于電解水制氫研究領(lǐng)域，具體涉及一種基于泡沫鎳、鈷、銅或鐵等金屬泡沫或多孔導(dǎo)電材料表面原位生長的FeOOH/ M-OOH納米片陣列析氧催化劑的制備方法及其應(yīng)用于在堿性溶液中的電解水析氧反應(yīng)，其中M指的是廉價(jià)鐵、鈷、鎳、銅等單金屬或雙過渡金屬。

背景技術(shù)

對(duì)能源短缺和環(huán)境污染的持續(xù)擔(dān)憂推動(dòng)著人們將注意力轉(zhuǎn)向可替代化石燃料的清潔能源。風(fēng)能、水電、太陽能、地?zé)崮艿榷喾N形式的新能源都得到迅速的應(yīng)用和發(fā)展，這些能源具有蘊(yùn)藏量大、清潔、對(duì)環(huán)境無害、取之不盡等優(yōu)點(diǎn)，有望成為人類未來能源需求的主流能源。然而，風(fēng)力或太陽能發(fā)電受氣候影響波動(dòng)較大，具有不可控性，以及水力資源的季節(jié)性和晚間電力過剩等難題仍然存在。我國新能源布局相對(duì)集中，可再生能源電力與當(dāng)?shù)叵{能力不足、外送能力有限不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致全國棄風(fēng)、棄光、棄水“三棄”問題無法避免，增加了新能源發(fā)電的成本。解決這些問題的一個(gè)潛在途徑就是利用氫儲(chǔ)能技術(shù)。我們可以將間歇性風(fēng)力、太陽能或晚間多余的水力轉(zhuǎn)化成電能，用于驅(qū)動(dòng)電解水制氫，從而將這些電能大規(guī)模地存儲(chǔ)于氫燃料電池中，供需要時(shí)再使用。氫能源是目前非常有發(fā)展?jié)摿Α⑶鍧嵀h(huán)保的一種二次清潔能源，有望在未來電力能源行業(yè)中扮演重要的角色。

地球上浩瀚的海洋為人類提供了豐富的水資源，通過水分解得到的氫燃料總能量大約是地球化石燃料的9000倍。各種日常生活用水、河水、工業(yè)廢水以及海水都可作為天然的制氫原料。鑒于此，電解水制氫技術(shù)是一種理想的氫氣制備方案，可以將太陽能、風(fēng)能等可再生能源的富余電力轉(zhuǎn)化為清潔的氫燃料，在未來的制氫技術(shù)中有望占據(jù)非常重要的地位，對(duì)我國氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有極高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，盡管堿性水電解槽因其催化劑廉價(jià)、技術(shù)成熟在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用，但是它的水分解電壓高，電能消耗太大，以致于在工業(yè)上的應(yīng)用沒有得到足夠的重視。為減少實(shí)際應(yīng)用中的制氫成本，廉價(jià)催化劑材料的創(chuàng)新和技術(shù)的改善仍然十分重要。其中一個(gè)半反應(yīng)-陽極析氧反應(yīng)的催化效率低，析氧過電位高而導(dǎo)致能耗大，是導(dǎo)致堿性水分解制氫的能量轉(zhuǎn)換效率低、制約該技術(shù)規(guī)模化發(fā)展的主要瓶頸。在設(shè)備基本不變的情況下，提高電解水效率的一個(gè)有效途徑就是尋找和制備高性能的非貴金屬催化劑材料，從而顯著降低催化析氫，析氧反應(yīng)的過電位，尤其是陽極析氧催化劑的設(shè)計(jì)、合成。然而，目前大部分析氧催化劑的合成都是基于復(fù)雜的材料制備過程，亦或者需要苛刻的生長條件，例如高溫、有毒環(huán)境、耗時(shí)、不環(huán)保等，并且許多制備工藝無法實(shí)現(xiàn)催化劑的宏量化生產(chǎn)。因此，探索出新型低成本、高通量、無毒環(huán)境的制備工藝，以獲得性能優(yōu)異的廉價(jià)電解水析氧催化劑變得尤為重要。另一方面，目前大部分性能優(yōu)異的析氧催化劑都是基于鎳鐵基材料，而對(duì)于鈷基材料的析氧活性一直沒有提升。如何獲得與鎳鐵基析氧催化劑活性相當(dāng)且在大電流持久穩(wěn)定的廉價(jià)鈷基析氧催化劑具有重要的研究意義。在該專利中，我們針對(duì)滿足商業(yè)上的催化劑效率，催化劑成本與綠色環(huán)保等因素，設(shè)計(jì)了一種通過簡(jiǎn)單的室溫化學(xué)腐蝕技術(shù)生產(chǎn)的高效廉價(jià)電解水析氧催化劑，有希望在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制氫應(yīng)用。這是一種三維多孔（Ni、Fe、Co）羥基氧化物納米片陣列構(gòu)成的優(yōu)異析氧電催化劑，主要催化機(jī)理來源于泡沫鎳鈷鐵上生長的FeOOH/ M-OOH納米片陣列。通過將這種析氧催化劑與用于電解水析氫反應(yīng)的另一種強(qiáng)大催化劑搭配構(gòu)建的堿性水電解槽，實(shí)現(xiàn)有效的電解水制氫反應(yīng)，從而將其他形式能量轉(zhuǎn)化為氫化學(xué)能儲(chǔ)存起來。

發(fā)明內(nèi)容