[發明專利]一種新型鎳鐵電解水產氧催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 202011000789.2
• 申請日: 2020-09-22
• 公開（公告）號: CN111992219B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發明（設計）人: 楊世和;於俊
• 申請（專利權）人: 北京大學深圳研究生院
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/067;C25B1/04
• 代理公司: 廣州艾維專利商標代理事務所(普通合伙) 44739
• 代理人: 何燦

本發明提供了一種新型的鎳鐵雙金屬電解水產氧催化劑，其中鎳的價態為高價的+3和+4。提高催化劑產氧性能的一種有效措施是提高鎳鐵的價態特別是鎳的價態來獲得更高的本征活性，而本發明則提供了一種在近似常溫常壓條件下制備高價鎳（+3和+4）鐵雙金屬產氧催化劑的方法，該催化劑表現出了特別優異的產氧活性，其制備方法簡單，適合大規模生產。根據本發明所制備的新型鎳鐵雙金屬電解水產氧催化劑的基本原理，本發明進一步提供了一種將多價態金屬由低價轉變為高價的方法，使得除本發明所提及的鎳外，能夠將更多低價金屬轉變為高價態，以滿足不同的實際需求。

技術領域

本發明屬于電催化領域，涉及一種新型鎳鐵電解水產氧催化劑及其制備方法。

背景技術

為了大規模的使用可再生能源，必須開發高效的儲能設備。在電解水、燃料電池、金屬-空氣電池和光電化學電池等能源轉換與儲能技術中，電催化產氧反應是其中的關鍵一步。由于產氧反應涉及到4電子轉移過程，需要更高的過電勢來克服反應活化能壘，因而開發一類高效率、低過電勢、穩定性好并且價格低廉的產氧催化劑成為了亟待解決的關鍵問題。

非貴金屬催化劑由于價格的優勢而受到了研究者們的廣泛關注。其中，第一過渡金屬元素如鐵和鎳中存在類似于貴金屬中的活躍3d電子和空的d軌道，因而表現出了不錯的電催化產氧活性，不過它們的產氧性能需要進一步優化。增加催化劑暴露的活性位點數量和優化催化劑的本征活性是改善其產氧性能的兩種有效手段。

納米工程技術被廣泛應用于增加催化劑的表面積來暴露更多的活性位點。鎳鐵雙金屬催化劑表現出了近似貴金屬的產氧性能而得到了廣泛關注，過渡金屬元素特別是鎳的高價態被認為具有更高的產氧本征活性,不過在產氧活性方面仍有很大的提升空間。然而，鎳離子的通常價態為+2，要想獲得+3甚至+4的高價鎳需要克服大的能量勢壘，因而制備條件苛刻，需要在諸如高壓、高溫和高氧化性氣氛等特殊環境中進行，而且反應步驟繁瑣。因此，開發出一種簡單而經濟的合成含高價鎳的高效產氧催化劑的方法，將會大大加速該類催化劑工業化應用進程。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術中鎳鐵雙金屬電解產氧催化劑產氧本征活性低、制備工藝復雜、工藝難度大的技術問題，從而提供了一種制備工藝簡單、適合大規模生產的鎳為高價態的鎳鐵雙金屬水產氧催化劑，顯著提高了催化劑的產氧性能。

為了解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案得以實現的。

本發明第一方面提供了一種新型鎳鐵電解水產氧催化劑，其制備原料包括碳布、鈰劑、鎳劑、鐵劑。

作為優選地，所述碳布為沉積有富含氧空位的CeO_2-x的碳布，其中0＜x＜1，可通過現有技術制備得到，例如可參見中國發明申請CN202010161653.3中所提及的方法進行制備進行制備。

作為優選地，所述鈰劑為硝酸鈰，所述鎳劑為硝酸鎳，所述鐵劑為硝酸鐵。

作為優選地，所述新型鎳鐵電解產氧催化劑中鎳為+3價態和/或+4價態。

本發明第二方面提供了一種新型鎳鐵電解水產氧催化劑的制備方法，包括如下步驟：

（1）以碳布為基體，以鈰劑和氯化鈉的混合溶液作為電解液，通過電鍍法制備CeO₂碳布；

（2）將CeO₂薄膜在10%H₂/Ar 500℃條件下處理得到富含氧空位的CeO_2-x碳布，其中0＜x＜1；

（3）將富含氧空位的CeO_2-x碳布浸漬于鎳劑和鐵劑的混合溶液中；

（4）取出用超純水多次沖洗后于空氣中自然晾干得到CeO_2-x-FeNi催化劑。