[發明專利]一種鐵鈷鎳雙氫氧化物納米籠電催化析氧材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202211184311.9
• 申請日: 2022-09-27
• 公開（公告）號: CN115386908A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 李媛媛;富笑男;田偉峰;孔騰飛;張小萍;朱嬌夢
• 申請（專利權）人: 河南工業大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B11/054;H01M12/06;B82Y40/00
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 孫詩雨

本發明提出了一種鐵鈷鎳雙氫氧化物納米籠電催化析氧材料及其制備方法，屬于電催化的技術領域，用以解決當前Fe?Co?NiLDH基電催化劑的制備工藝復雜、催化活性低的技術問題。制備方法包括以下步驟：將泡沫鎳浸泡在鈷鹽水溶液中，然后再添加2?甲基咪唑水溶液，繼續浸泡，最后將MOF前驅體浸泡在包含有Fe鹽和Ni鹽和尿素的混合水溶液中制得；本發明通過簡單的一步雙陽離子交換策略得到三維自支撐層次化的鐵鈷鎳雙氫氧化物納米籠電催化析氧材料，該材料可以提供更多暴露的活性位點和增強的電子傳輸能力，并加快傳質過程；此外，三金屬活性位點通過強耦合協同作用進一步提高了其催化活性。

技術領域

本發明屬于電催化的技術領域，尤其涉及一種鐵鈷鎳雙氫氧化物納米籠電催化析氧材料及其制備方法。

背景技術

氧析出反應(OER)在各種能量儲存和轉換系統中都很重要，例如水分解裝置和金屬-空氣電池。但其固有的四步質子耦合電子轉移過程所帶來的滯緩動力學被認為是這些技術發展的瓶頸。雖然Ir-和ru-基催化劑是最高效的OER電催化劑，但由于其成本高、稀缺性大，導致其大規模應用受到極大的影響。因此，探索低成本高效、操作可行、活性高、穩定性好的非貴金屬OER催化劑對能源轉換技術的發展尤為重要。

鑒于地球的豐度和高催化活性，第一行過渡金屬氧化物、氫氧化物、硫化物、氮化物和磷化物顯示出巨大的OER潛力。空心納米結構具有結構依賴的特點，如表面積大、界面多、電荷轉移距離短等，顯示出作為OER催化劑的明顯優勢。與表面光滑的中空結構相比，超薄納米片組成的納米籠具有更大的表面積和更短的傳質擴散距離，在催化方面表現出明顯的優勢。例如專利公開號CN109652822A公開了以LDH為模板制備層狀金屬有機框架材料納米陣列水氧化電催化劑，以六水合硝酸鎳為鎳源、九水合硝酸鐵為鐵源，采用氟化銨為氟源并和尿素共同調控前驅體溶液的pH值，泡沫鎳為導電基底，采用水熱法制備NiFe-LDH/NF前驅模板，再以六水合硝酸鎳和九水合硝酸鐵為輔助絡合劑，對苯二甲酸為有機配體，氮,氮二甲基甲酰胺為有機溶劑，無水乙醇和去離子水分別作為弱配位體溶劑和強配位體溶劑調控金屬中心和有機配體的配位形式，采用溶劑熱法將NiFe-LDH/NF前驅模板轉化為高度規則排列的三維層狀結構Fe0.1-Ni-MOF納米陣列，將其作為水氧化電催化劑具有較高活性。但是，由于合成工藝繁瑣復雜，不利于復雜中空催化劑的實際應用。最近，陽離子交換合成法是一種自模板法，可以調節材料的維度和形態，它提供了一種易于控制的方法，可以實現良好定義的空心結構的制備。例如申請公開號CN113897635A公開了一種MOFs衍生的鎳鈷雙氫氧化物陣列電催化析氧材料及其制備方法，將泡沫鎳在2-甲基咪唑中浸泡，然后再添加Co鹽，繼續浸泡得到Co-MOFs納米片原位生長形成的三維陣列前驅體；將三維陣列前驅體浸泡在 Ni鹽中，靜置反應得到，具有制備方法簡單的特點。

除雙金屬LDH基納米籠電催化劑外，三金屬LDH基納米籠電催化劑同樣是研究熱點。例如Fe-Ni-Co層狀雙氫氧化物(LDH)由于Ni、Co和Fe三種物質之間的協同作用，其催化活性明顯增強，被認為是目前在堿性溶液中最有前途的OER催化劑。但是，由于三屬LDH基納米籠電催化劑的制備多采用水熱法，具有成本高、耗時長等固有局限性。此外，OER催化過程中主要位于催化劑表面的活性位點對材料的催化性能有積極的影響。因此，通過增加 Fe-Co-Ni LDH基電催化劑的暴露活性位點數量來精細設計其納米結構對提高其OER性能具有重要意義。

發明內容

針對當前Fe-Co-NiLDH基電催化劑的制備工藝復雜、催化活性低的技術問題，本發明提出一種鐵鈷鎳雙氫氧化物納米籠電催化析氧材料及其制備方法，該材料可以提供更多暴露的活性位點和增強的電子傳輸能力，并加快傳質過程；此外，三金屬活性位點通過強耦合協同作用進一步提高了其催化活性。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種鐵鈷鎳雙氫氧化物納米籠電催化析氧材料的制備方法，包括以下步驟：

Co-MOFs納米片原位生長形成的三維納米片陣列前驅體的制備