[發明專利]Ni(OH)2

有效

• 申請號: 202110337446.3
• 申請日: 2021-03-30
• 公開（公告）號: CN113097511B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 張蓉;李瑞敏;喬亞磊;張鼎;崔子祥
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發明公開了一種Ni(OH)₂/ZrO₂異質結構燃料電池陰極氧還原催化劑的制備方法，是ZrCl₄與NiCl₂在乙醇溶液中反應，得到的混合物用無水乙醇和蒸餾水洗滌干燥得到Ni(OH)₂/ZrO₂粗產品，將Ni(OH)₂/ZrO₂粗產品與無水乙醇按比例混合后超聲反應一段時間，然后用無水乙醇和蒸餾水洗滌干燥得到Ni(OH)₂/ZrO₂異質結構催化劑。本發明采用廉價高效、資源分布廣的非貴金屬催化劑為原料，制備方法簡單，結構穩定，在基礎實驗室和燃料電池的工業應用中都具有廣闊的前景。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，具體為一種Ni(OH)₂/ZrO₂異質結構材料的制備方法，將制備的Ni(OH)₂/ZrO₂異質結構材料應用于燃料電池陰極氧還原催化劑。

背景技術

隨著全球能源危機和環境惡化的出現，開發科學、高效、綠色、可持續性能源成為了世界各國研究工作的重點。在已發展的新能源中，太陽能和風能因其清潔和可再生的特點受到了工業界和科研界的廣泛關注，而這些能源供應受到晝夜性和季節性的限制只能間歇性或者限區域性的供應。為了避免這些能源供應穩定性的問題，電化學儲能和轉換技術成為了科學研究的熱點，其中燃料電池是一種直接將燃料具有的化學能轉化為電能的裝置，能量轉換效率高，且轉化過程不受卡諾循環的限制，不經過燃燒，沒有噪聲及污染物的排放。而燃料電池的陰極氧還原反應（ORR）因其涉及到多步電子轉移的緩慢動力學，需要更多的能耗，直接影響了燃料電池的反應速率，因此，現在研究者的大量工作致力于研究陰極氧還原反應催化劑以加快氧還原反應的效率。

在ORR催化劑中，貴金屬Pt催化劑由于d電子軌道未填滿的特性，因此具有優異的ORR催化活性，然而，Pt的高成本（2020年Pt的平均價格為30.21g/美元）、稀缺性（地殼中Pt有37ppb）、易受甲醇毒化使其難以被大規模的應用于燃料電池。隨即，可替代貴金屬Pt的廉價高效、資源分布廣、穩定性強的非貴金屬催化劑進入了人們的視線，在眾多非貴金屬中的3d金屬（Fe，Co，Mn和Ni）被廣泛應用于ORR催化劑的研究。特別是Ni(OH)₂催化劑（2020年Ni的平均價格為0.018227g/美元）在堿性條件下表現出較強的ORR性能與OER性能，但是純Ni(OH)₂的電催化性能有限，一些研究發現摻雜金屬對提高催化劑的活性有顯著的作用，其中摻雜Fe后的Ni(OH)₂催化劑有著最為優異的電催化性能，這都歸功于摻雜金屬Fe與Ni(OH)₂產生了短的Fe-O活性鍵，發揮了部分電荷轉移活化的作用，抑制了Ni²⁺向Ni³⁺/Ni⁴⁺的氧化。同樣，2018年Goddard III 等人（Goddard III，J. Am. Chem. Soc， 2018, 140, 22,6745–6748）通過密度泛函理論（DFT）計算發現高自旋d4Fe摻雜Ni(OH)₂具有異常高的電催化活性，這是因為金屬-氧代（MO）鍵O上具有自由基特征的活性位點，并研究了其他17種具有相同特征的+4氧化態的過渡金屬（Co，Ti，Mn，Zr，Mo，Ru，W，Ir等），其可能對改善Ni(OH)₂催化劑的電催化活性有相同的作用。隨后，閆俊青等人（Junqing Yan, Nat Commun, 2019,10, 2149）發現W摻雜在Ni(OH)₂時具有較高的電催化活性，這是因為3d金屬W⁴⁺的外層空軌道使得OH的斷裂和O-O鍵的生成都在W位點。此外，倪軍等人（Ni J, Applied Catalysis B:Environmental，2019，253，170-17）發現ZrO₂作為載體可以有效的調節負載金屬的電子態，這是因為摻雜低價陽離子（Y，Sc，Ca，Mg或Ni）可以穩定ZrO₂，并且ZrO₂大量的氧空位會在其中心捕獲負電子，有利于控制催化性能。這對設計ORR催化劑提供了一定的理論借鑒。