[發明專利]多碳雜化的NiFe基高效堿性水氧化催化劑

有效

• 申請號: 202110258161.0
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113122865B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 章福祥;喬玉彥;范文俊;郭向陽
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/091;C25B11/069
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 張玉瑩;李馨

本發明公開了一種多碳雜化的NiFe基催化劑的制備與應用，以碳纖維紙負載的碳納米管為載體，以過渡金屬Ni、Fe為金屬鹽，葡萄糖為碳源，通過溶劑熱的合成方法制得NiFeO_x?C/CNTs/CFP復合催化劑。本發明根據界面調控的策略實現催化劑和電解液界面、催化劑和載體界面以及催化劑顆粒之間界面的優化，在碳纖維紙負載的碳納米管上制備了分散均勻、結構穩定的納米復合催化劑。三維支撐結構提供了大量的表面活性位點，同時有利于電解液的傳質和氣體擴散，實現了催化劑電子結構和擴散過程的雙重控制。研究表明，本發明公開的NiFeO_x?C/CNTs/CFP是一個高效堿性產氧催化劑。

技術領域

本發明屬于催化材料技術領域，具體涉及一種原位合成多碳雜化的NiFe基高效堿性水氧化催化劑。

背景技術

隨著經濟幾十年的高速發展，我國已經成為世界第一大能源消耗國。而我國的能源結構以化石能源為主，其中以煤炭的消耗量所占比重最大，給環境保護帶來了很大的壓力。為了緩解能源危機，科研工作者致力于將可再生能源轉化為化學能，其中的一個重要方向是利用半導體與電催化劑耦合將太陽能應用于水分解來制備氫氣和氧氣。然而，水分子的氧化反應是一個復雜的過程，該反應需要發生四個電子的轉移，涉及到多個化學鍵的重新排布才能形成最終的O-O鍵。該反應在pH為0條件下的理論電位為1.23V(以標準氫電極為參比電極)，這個半反應已經成為人工光合作用制造太陽能燃料的瓶頸之一。通過在吸光半導體表面擔載水氧化催化劑組分，可以加速光(電)催化分解水的速率。因此開發高效、穩定、廉價的電催化水制氧的催化劑，從而降低過電勢，進而提高能源利用效率，具有重要的現實意義。

IrO₂和RuO₂是OER反應中的優良電催化劑，但是它們的稀缺性和高成本促使研究人員轉向非貴重材料，例如金屬氧化物(或氫氧化物)，硫族化物，磷化物，氮化物和其他非金屬材料。在非貴金屬成分中，NiFe基材料在堿性介質中具有較高的電催化活性，但是仍然存在導電性差和穩定性不足的技術問題。通常使用幾種策略來改善NiFe基催化劑的水分解活性：(i)通過用納米結構催化劑加載不同尺寸的基材來暴露更多的活性位點。(ii)通過用適當的方法調節催化劑的分布來提高催化劑的固有活性。但是上述策略存在催化劑合成困難，電極制備工藝復雜的不足，難以大規模復制和使用。

發明內容

針對以上技術問題，本發明著重于利用碳材料對催化劑的電子結構進行調控，主要從三個方面進行設計：(1)采用原位合成的方法制備碳纖維紙負載的碳納米管作為載體來改善碳材料的表面性質；(2)采用原位合成的方法制備NiFe納米復合物作為電極材料；(3)采用碳摻雜的方法改進金屬顆粒間的電荷傳輸。采用多重碳復合的策略制備了CNTs/CFP負載的NiFeO_x-C電催化劑。這種催化劑表現出優于其他NiFe基復合材料的活性和穩定性，三維的載體結構提高了電解液的傳質和氣體擴散，降低了界面阻力，同時碳摻雜增強了催化劑和載體之間的界面效應以及電荷傳遞。該材料在電解水領域具有很好的發展前景。

本發明提供的原位合成多碳雜化的NiFe基高效堿性水氧化催化劑，能夠實現在低過電位條件下的水氧化反應。本發明實現了碳納米管表面進行納米復合材料的合成制備，具有典型的高分散特征。得益于多重界面效應的協同作用，催化劑的活性和穩定性大大提高。同時該催化劑的制備簡單，可應用于其他催化劑的合成過程。

本發明的技術方案：以碳纖維紙負載的碳納米管為載體，以硝酸鎳、硝酸鐵為金屬源，以葡萄糖為碳源，采用溶劑熱的方法原位合成含有NiFeO_x-C復合材料的水氧化電催化劑NiFeO_x-C/CNTs/CFP。其合成路線如圖26所示。

所述金屬鹽為Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O。

所述制備方法具體包括以下步驟：