[發(fā)明專利]一種含錳-鎳-鐵三元金屬電解水催化劑及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210202614.2
• 申請(qǐng)日: 2022-03-02
• 公開（公告）號(hào): CN114411172B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧騰;李增華;許德如;鄒少浩;張健;徐智鵬;郭世超;曾皓軒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東華理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C25B1/04
• 分類號(hào): C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 北京眾達(dá)德權(quán)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11570
• 代理人: 田靈菲

本發(fā)明涉及新一代能源存儲(chǔ)與催化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含錳?鎳?鐵三元金屬電解水催化劑及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明通過(guò)含錳?鎳前驅(qū)體的制備即一步溶劑熱法、含錳?鎳/碳基底的結(jié)構(gòu)的制備即絕氧高溫?zé)崽幚矸ê秃i?鎳?鐵三元金屬?gòu)?fù)合材料的制備即水浴沉積法制得一種含錳?鎳?鐵三元金屬電解水催化劑。本發(fā)明制備的含錳?鎳?鐵三元金屬電解水催化劑為八面體的幾何結(jié)構(gòu)，且具有含錳鎳的碳質(zhì)基底與含鐵的羥基氧化鐵組分間的異質(zhì)結(jié)界面結(jié)構(gòu)，其在驅(qū)動(dòng)電解水陽(yáng)極端催化過(guò)程中表現(xiàn)出極好的電催化活性與長(zhǎng)壽命穩(wěn)定性，適于推廣與應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新一代能源存儲(chǔ)與催化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含錳-鎳-鐵三元金屬電解水催化劑及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

氫氣是國(guó)家低碳發(fā)展的重要清潔能源，故而高效、低成本且綠色的氫氣制備路線是目前氫能源研究領(lǐng)域的主流方向和重要難題。電解水制氫，因其理論成熟、原料來(lái)源廣泛且具有產(chǎn)氫純度高的優(yōu)勢(shì)，成為今后氫氣大規(guī)模綠色制造的重要途徑。在電解水制氫過(guò)程中，其受限于陽(yáng)極端的氧氣析出反應(yīng)(oxygen evolutionreaction,OER)的多電子轉(zhuǎn)移步驟所需的較高能壘所導(dǎo)致的高能耗問(wèn)題，而催化劑的引入則可有效促進(jìn)其OER的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的快速進(jìn)行，從而降低其能耗，實(shí)現(xiàn)低成本電解水制氫。因此，高效電解水陽(yáng)極端催化劑的開發(fā)則是當(dāng)前氫能研究中亟待突破的技術(shù)瓶頸。

過(guò)渡金屬(如Mn、Ni、Fe)基材料，不僅具有較高的OER催化活性，還具有成本低、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而可用于替代傳統(tǒng)商用貴金屬基電解水催化劑(如RuO₂、IrO₂等)。其中過(guò)渡金屬元素之間的電子相互作用以及其界面構(gòu)筑對(duì)復(fù)合材料局域電子態(tài)的優(yōu)化重構(gòu)，均有助于改善材料的本征催化活性，然而現(xiàn)有技術(shù)中針對(duì)含有三元過(guò)渡金屬基結(jié)構(gòu)的催化劑材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)仍然不足。

基于此，本發(fā)明以Mn₃O₄-Ni的碳質(zhì)材料為基底，并于其表面負(fù)載含鐵的FeOOH組分，構(gòu)筑了一種含錳、鎳、鐵三元金屬且包含Mn₃O₄-Ni/C和FeOOH界面結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料Mn₃O₄-Ni/C@FeOOH，其在驅(qū)動(dòng)堿性電解水陽(yáng)極端催化反應(yīng)過(guò)程表現(xiàn)出優(yōu)良催化活性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)低成本電解水制氫提供技術(shù)支撐。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種具有八面體幾何構(gòu)型，且含錳-鎳-鐵三元金屬電解水催化劑及其制備方法與應(yīng)用，旨在通過(guò)三元金屬之間的強(qiáng)相互電子作用及其界面誘導(dǎo)局域電子態(tài)調(diào)控，從而優(yōu)化催化劑的整體催化活性，并實(shí)現(xiàn)低能耗電解水制氫。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種含錳-鎳-鐵三元金屬電解水催化劑的制備方法，包括如下步驟：

S1：含錳-鎳前驅(qū)體的制備：

將錳鹽、鎳鹽、月桂酸、均苯三甲酸和溶劑混合，得初始反應(yīng)溶液，進(jìn)行甲醇溶劑熱反應(yīng)，反應(yīng)后經(jīng)純化，得含錳-鎳前驅(qū)體土黃色固體粉末Mn-Ni MIL；

S2：錳-鎳/碳基底的制備：

將S1中制得的含錳-鎳前驅(qū)體粉末Mn-Ni MIL，進(jìn)行熱處理，反應(yīng)結(jié)束后自然降溫，得含錳-鎳/碳組分的黑色固體粉末Mn₃O₄-Ni/C；

S3：含錳-鎳-鐵三元金屬電解水催化劑的制備：

將上述步驟S2所得含錳-鎳/碳粉末Mn₃O₄-Ni/C、七水合硫酸亞鐵與去離子水混合，加熱反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，得到含錳-鎳-鐵三元金屬的黑色固體粉末材料Mn₃O₄-Ni/C@FeOOH。

作為優(yōu)選，步驟S1中，所述溶劑為甲醇。