[發明專利]一種磷化鐵納米材料的制備方法及其作為電催化劑的應用

在審

• 申請號: 202110230063.6
• 申請日: 2021-03-02
• 公開（公告）號: CN113101955A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 王新宇;王勇勝;尹立坤;謝寧寧;朱威
• 申請（專利權）人: 中國長江三峽集團有限公司
• 主分類號: B01J27/185
• 分類號: B01J27/185;C01B25/08;C25B1/04
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 成鋼

本發明公開了一種磷化鐵納米材料的制備方法及其作為電催化劑的應用，制備時，先采用水熱法制備鐵的氧化物顆粒，然后將氧化物顆粒負載到碳粉上，最后采用高溫氣相磷化法將氧化鐵顆粒轉變為磷化鐵顆粒。該制備工藝操作簡單、易于控制、成本低廉。本發明通過前驅體形貌的調控，以及探索出最優磷化條件并且保留初始的外觀形貌。該材料的成分為FeP與FeP₄或FeP與FeP₂，能夠持續、高效、穩定地催化析氫反應的進行。

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，具體涉及一種磷化鐵納米材料的制備方法及其作為電催化劑的應用。

背景技術

電解水制氫是未來清潔生產氫能的可能途徑。然而，在多種制氫方法中，由于多種原材料和各種形式的能源使用的優勢，電催化制氫已成為當前制氫研究的重點。鉑（Pt）基電極目前是電解水最高效的電極。然而，鉑金儲量稀少且價格昂貴，這使其難以滿足工業化生產及應用的要求。因此，開發非貴金屬有效氫電極材料已成為當前電解水制氫的研究重點。根據國內外的實踐，氫氣作為一種清潔的二次能源，具有儲存量大的特點，其廣泛應用之后可以部分替代石油和天然氣等化石燃料。過渡金屬磷化物納米材料在電解水中作為陰極氫氣析出催化劑具有優異的催化活性，過渡金屬磷化物材料本身成本很低，相比較Pt基金屬催化劑，具有更高的性價比。

發明內容

本發明提供一種磷化鐵納米材料的制備方法及其作為電催化劑的應用，所需原料成本較低，合成方法簡單易操作，通過前驅體Fe₃O₄、Fe₂O₃、FeOOH形貌調控和磷化條件優勢可以保留初始的外貌形貌，并且在氫氣析出反應（HER）具有客觀的性能。

本發明的技術方案是，一種磷化鐵納米材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、稱取鐵鹽，用水溶解，得液體1；稱取堿溶于水，并與醇和油酸混合得液體2；將液體1滴加到液體2中，攪拌混合，產生沉淀；將混合后物料放入加熱容器中進行反應，后冷卻取出，倒掉上層漂浮物，進行離心，得鐵的氧化物納米材料，用有機溶劑保存；

S2、向S1得到分散有鐵的氧化物納米材料的有機溶劑中加入碳粉，并進行超聲處理，后過濾干燥得碳載鐵的氧化物納米顆粒；

S3、將S2 所得碳載鐵的氧化物納米顆粒放入瓷舟，裝入充滿保護氣體的管式爐中，另在保護氣體上游放置裝有次磷酸鈉的瓷舟，加熱進行磷化反應后冷卻，得到碳載納米級磷化鐵顆粒，即為磷化鐵納米材料。

進一步地，所述的鐵鹽為六水合硫酸亞鐵銨或者六水氯化鐵；所述的堿為氫氧化鈉，鐵鹽與堿的質量比為0.5~1:1。

進一步地，液體2制備時，所用的醇為無水乙醇，其中無水乙醇、水和油酸的體積比為2：1：2。

進一步地，S1中加熱的溫度為170℃~190℃，維持該溫度的時間為10h~12h。

進一步地，S1中有機溶劑為環己烷。

進一步地，S2中氧化物納米材料與碳粉的質量比為0.75~1.5：1。

進一步地，S3中碳載鐵的氧化物納米顆粒與次磷酸鈉的質量比為0.1~0.3：1 。

進一步地，管式爐中通入保護氣，為氫氣、氮氣、氬氣或氦氣。

進一步地，S3加熱時磷化溫度為300～350℃，升溫速率為2～10℃/min，維持磷化溫度時間為2-3h。

本發明還涉及所述方法得到的磷化鐵納米材料在電催化劑中的應用。

本發明具有以下有益效果：

1、本發明在前驅體合成中可以根據堿的用量以及不同的鐵源制備不同相態、尺寸和形貌的氧化鐵納米材料，此外在磷化過程中氣固相反應使得生成物與前驅體的外輪廓形貌保持一致。因此該方法的實驗條件精確可控，得到的納米顆粒尺寸形貌完整粒徑均一。