[發明專利]非晶態鐵摻雜磷酸鎳-碳復合納米球的制備方法及應用于電極催化劑

有效

• 申請號: 202110488694.8
• 申請日: 2021-05-06
• 公開（公告）號: CN113353906B
• 公開（公告）日: 2023-10-10
• 發明（設計）人: 楊石榴;劉鑫河;殷全周;連加彪;趙巖;李國春
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C01B25/37
• 分類號: C01B25/37;C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00;C25B1/04;C25B11/091;H01M4/86;H01M4/88;H01M4/90;H01M12/06
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本發明屬于復合材料技術領域，涉及一種非晶態鐵摻雜磷酸鎳?碳復合納米球的制備方法，包括：將表面活性劑溶解于去離子水中，加入二價鎳離子、植酸溶液和堿性緩釋劑成混合溶液，70～90℃攪拌回流1～3 h后形成植酸鎳納米球前驅體；將前驅體用水和乙醇等體積混合溶劑離心洗凈，分散在極性溶劑中形成20～30 mg/mL的懸浮液；使用同種極性溶劑配制三價鐵源溶液，將懸浮液快速倒入三價鐵源溶液中，攪拌均勻后，用同種極性溶劑離心洗凈、干燥、研磨，在保護氣氛中500～650℃保持1～3 h，即得。本發明反應條件溫和、重復性好、原料豐富；制備的材料形貌均勻、結構穩定、比表面積大、導電性好、電催化氧析出活性位點多，具有很高的電催化OER性能。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，涉及電催化劑的制備，具體涉及一種非晶態鐵摻雜磷酸鎳-碳復合納米球的制備方法及應用于電極催化劑。

背景技術

氧析出反應（OER）是可充放金屬-空氣電池和電解水制氫技術領域的重要反應過程。然而，由于OER受到4電子緩慢動力學限制，會在電極上產生很大的過電位，進而導致較低的能量轉換效率和較差的循環穩定性。對于可充放金屬-空氣電池和電解水制氫技術領域而言，目前共同的研究熱點在于開發高效、穩定的非貴金屬OER電催化劑上。最近的研究表明非晶態的過渡金屬化合物在電催化OER過程中更容易發生結構和活性位點重構，從而表現出比晶態化合物更高的OER電催化性能，受到了廣泛關注(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 3773.; Matter. 2020, 3, 2124.; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15772.; Adv. Mater. 2020, 32, 2001136.)。

然而，過渡金屬化合物導電性較差，一般需要通過非原位方法將其負載或者生長在石墨烯（ ACS Nano 2018,12,6,5297-5305,.）、碳納米管（Angew. Chem. Int. Ed.,2019,58,4923.）、碳布（Adv. Sci. 2018, 5, 1800760）、泡沫鎳（Advanced Science,2018, 5,1800949.）等高導電性材料或骨架上，通過提高導電性來進一步促進材料的電催化OER性能。然而，使用額外的導電基體不僅讓材料制備步驟變得復雜，也會增加制備成本。原位碳化法是制備過渡金屬化合物-碳基復合材料的重要手段，但是通原位方法制備非晶態過渡金屬化合物-碳基復合材料仍然面臨很大的挑戰，主要因為絕大多數非晶態過渡金屬化合物的熱穩定性較差，只能在較低溫度下穩定存在，而碳基材料又需要在較高溫度下進行碳化來提高導電性。

過渡金屬磷酸鹽由于具有熱穩定性好、催化活性高、原料豐富、價格低廉等優點而成為堿性電解質中OER電催化劑的研究熱點（Nat. Commun. 2019, 10, 5195.; Adv. Sci. 2020, 7, 1902830.;Small 2020, 16, 1906766.）。可以作為原位制備碳基復合OER電催化劑的理想材料。此外，在實際應用中，零維納米球形結構不僅可以提高材料比表面積和暴露更多的活性位點，還能以密堆積的形式在電極表面形成更均勻的涂層，有利于電極反應的進行。

目前，通過原位退火方法制備形貌均勻的非晶態金屬磷酸鹽-碳基復合納米球材料的報道還未見報道。

發明內容

針對上述現有技術中存在的不足，本發明的目的是通過低溫液相回流法，在表面活性劑的作用下得到了尺寸均勻的單分散植酸鎳納米球，并以此為前驅體，利用植酸根與三價鐵離子絡合能力更強的特點，在植酸鎳納米球表面快速引入鐵摻雜，再通過退火處理得到非晶態鐵摻雜磷酸鎳-碳基復合納米球材料。

技術方案如下：