[發明專利]一種鎳鐵氧化物電催化劑的制備方法與應用

在審

• 申請號: 202111264693.1
• 申請日: 2021-10-28
• 公開（公告）號: CN113774427A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 崔小強;劉弘太;徐珊;許天翊;董易龍;武建棟
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/04;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州華宸聯名知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33352
• 代理人: 黃歡娣

本發明公開了一種鎳鐵氧化物組成的棒狀納米陣列結構電催化劑的制備方法與應用，獲得了較為優秀的催化性能。本發明主要通過鎳鐵MOF前驅體作為自犧牲模板，空氣氣氛下退火后，制備出保持在MOF原始棒狀形貌的同時，表面形成納米片陣列結構的材料。該催化劑以泡沫鎳為骨架，具有較好的導電性，棒狀納米陣列結構提高了催化劑的比表面積，暴露更多的活性位點，能夠有效的促進析氧反應的發生。該電催化劑在堿性電解液中，在電流密度為10 mA/cm²時，反應過電勢為215mV，且穩定性很好，具有較好的應用前景。

技術領域

本發明屬于催化劑技術領域，特別涉及一種具有棒狀納米陣列結構的鎳鐵氧化物的制備方法與應用。

背景技術

為了解決由于傳統化石燃料資源逐漸枯竭以及其燃燒伴隨的環境問題，開發一種更為清潔，高效，可持續的新能源尤為重要。通過電解水方法獲得新型清潔能源受到了人們的廣泛關注，它包括了陽極析氧反應(OER)和陰極析氫反應(HER)，然而整個水裂解系統受限于OER反應的緩慢動力學。目前商用的OER電催化劑是貴金屬Ir/Ru基電催化劑，但是低豐富度，成本過高的特性限制了其更廣泛的商業應用，開發成本效益高的非貴重過渡金屬基電催化劑取代貴金屬基催化劑成為一大研究熱點。

目前，傳統的金屬氧化物在OER反應中表現出較好的本證活性，可以通過其金屬成分改變來調控它們的結構和組成，提高金屬間的協同作用，改變其催化活性。但是金屬氧化物存在析氧活性位點暴露度低，催化過程中容易造成團聚等亟待解決的問題。

發明內容

本發明意在針對現有技術的不足，提供一種由鎳鐵氧化物組成的棒狀納米片陣列結構材料的制備方法與應用。該電催化劑具有棒狀納米片陣列結構，具有高的比表面積，較好的導電性等優異的性能，能用于電催化析氧反應。

本發明的目的是通過以下技術方案實現：一種鎳鐵氧化物組成的棒狀納米片陣列結構電催化劑通過前驅體鎳鐵MOF作為自犧牲模板，空氣氣氛下退火后，制備保持MOF棒狀形貌的同時，表面形成納米片陣列結構電催化劑。該催化劑以泡沫鎳為骨架，形成具有棒狀形貌，表面為納米片陣列結構的鎳鐵氧化物納米材料，具有較好的導電性，高的比表面積，暴露更多的活性位點，納米片陣列結構在催化過程中利于O₂產生后的脫附，保證催化劑的穩定持續工作。

本項發明精準合成復雜的納米形貌增加催化反應的活性面積，暴露更多的反應活性位點，大大提高鎳鐵氧化物的電催化析氧反應的活性，同時保持長時間的催化穩定性，促進過渡金屬氧化物系列材料在工業催化方面的應用。

具體的，本方案包括如下步驟：

（1）將泡沫鎳（簡寫NF）依次使用丙酮、鹽酸、乙醇進行超聲清洗，以去掉表面的油污及氧化層，吹干后備用。

（2）將99mg 2,5-二羥基對苯二甲酸充分溶解于10ml N,N-二甲基甲酰胺，1.2ml去離子水和3.8ml 乙醇的混合溶液中，然后加入99.4 mg四水合氯化亞鐵，充分攪拌溶解。

（3）將步驟（1）中處理完吹干的泡沫鎳置于含有步驟（2）所制得溶液的高壓釜內襯中進行水熱反應，在100℃下反應24小時后自然冷卻至室溫后取出，用去離子水和乙醇清洗。隨后在60℃條件下真空干燥過夜，得到NiFe-MOF/NF前驅體。

（4）將步驟（3）中干燥后的NiFe-MOF/NF轉移到馬弗爐中，在350℃下退火2小時，得到鎳鐵氧化物組成的棒狀納米陣列結構電催化劑。

本發明還提供一種由鎳鐵氧化物組成的棒狀納米陣列結構電催化劑在析氧反應中的應用。

進一步在三電極體系中評估催化劑的OER催化性能。電解質為1M KOH溶液，鉑片為對電極，銀氯化銀電極為參比電極，鎳鐵氧化物組成的棒狀納米陣列結構電催化劑為工作電極，進行析氧反應。