[發明專利]鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202110777963.2
• 申請日: 2021-07-09
• 公開（公告）號: CN113355682B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 劉守清;周漪雯
• 申請（專利權）人: 蘇州陽光氫能材料科技有限公司
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/091;C25B11/054
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹

本發明公開了一種鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料、其制備方法及應用。所述制備方法包括：使主要由氟化氫、氫氧化物、鈷鹽、亞鐵鹽、水組成的液相反應體系在氮氣保護下反應，獲得鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料。本發明還公開了所述電催化材料作為析氧電催化劑于電解水制氫中的應用。本發明所述電催化材料的制備工藝簡單，原料廉價易得，且所述電催化材料在1.0mol/LKOH溶液中的析氧過電位低于相同條件下銥貴金屬電極的析氧過電位，析氧電催化性能和電催化穩定性均非常優異，有望在光伏、風電和水電制氫中規模化應用。

技術領域

本發明涉及一種電催化析氧材料，特別涉及一種以鈷離子作為配位中心離子，氟離子作為作為配體的鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料的制備方法，以及其在電解水制氫中電催化析氧方面的應用，屬于可再生能源材料技術領域。

背景技術

太陽能光伏電解水制氫、風能電解水制氫或水利發電制氫，是獲得清潔氫能的重要方法。貴金屬釕與銥及其氧化物是公認的性能優異的析氧電催化劑。公開號為CN112853391A的文獻公開了一種氧化釕負載雙金屬氫氧化物制備方法和電催化析氧中的應用，公開號為CN112760677A的文獻公開了一種銥鎢合金納米材料及其制備方法和作為酸性析氧反應催化劑的應用.但是貴金屬價格昂貴、儲量有限，這限制了貴金屬(銥和釕)基電催化劑的大規模應用。研究廉價高效的非貴金屬催化劑是實現低成本電解水制氫的關鍵，也是利用可再生能源制氫的有效途徑。

電解水的完整反應涉及2電子轉移的陰極析氫反應和4電子轉移的陽極析氧反應。

2H⁺+2e＝H₂陰極2電子轉移反應

4OH^--4e＝H₂O+O₂陽極4電子轉移反應

只有整個反應的能耗降下來，才能真正提高電解水的電流效率，實現低能耗、高效率制氫。從反應機理看，4電子轉移反應比2電子轉移反應的機理更加復雜，其反應電阻或反應能壘也大得多。因此，降低4電子析氧反應的反應能壘是電解水制氫反應中降低能耗的關鍵。

盡管已經有一些過渡金屬氧化物或氫氧化物作為析氧電催化材料，但是，它們的析氧過電位仍然很大，不能滿足實際應用的要求。尤其是，析氧產生的過量氫離子會對過渡金屬氧化物或氫氧化物電極產生局部的溶解作用，從而影響其電解效率和使用壽命。

發明內容

為了克服現有電解水析氧電催化劑的不足，降低能耗，提高電流效率，本發明的目的在于設計一種新型的鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料、其制備方法及電解水制氫方面的應用。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

本發明實施例中提供了一種鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料的制備方法，其包括：使主要由氟化氫、氫氧化物、鈷鹽、亞鐵鹽、水組成的均勻水相混合反應體系于-2～99℃在氮氣保護下反應0.5～2h，獲得鐵摻雜三氟合鈷酸鹽析氧電催化材料，其化學式表示為MCo_(1-x)Fe_xF₃，M表示電荷平衡離子，0＜x＜1。

在一些實施例中，所述制備方法具體包括：

向氟化氫、氫氧化物的混合溶液中加入電解質，并控制混合溶液的溫度在-2℃以下；

將鈷鹽、亞鐵鹽混合研磨后直接加入所述混合溶液中，超聲振蕩，之后升溫至85～99℃繼續反應0.5～2h，獲得鐵摻雜三氟合鈷酸物析氧電催化材料。

在一些實施例中，所述亞鐵鹽與鈷鹽的摩爾比為y：1，其中，y＞0，優選為0＜y＜1。