[發(fā)明專利]一種用于HER/OER雙功能的鐵摻雜鉬酸鈷電催化劑及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211239320.3
• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115928132A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧啟芳;劉夢雨;司聰慧;魏明志;郭恩言
• 申請（專利權(quán)）人: 齊魯工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B11/065;C25B1/04
• 代理公司: 濟南格源知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37306
• 代理人: 許靜

本發(fā)明屬于電催化劑技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于HER/OER雙功能的鐵摻雜鉬酸鈷電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。所述電催化劑的微觀形貌為納米棒，所述納米棒的直徑為80?200nm，比表面積在26.387msupgt;2/supgt;gsupgt;?1/supgt;左右。所述電催化劑具有優(yōu)異的HER和OER性能，在10mA?cmsupgt;?2/supgt;的電流密度下為270?370mV的HER過電位和130?210mV?decsupgt;?1/supgt;的Tafel斜率，280?400mV的OER過電位和39?80mV?decsupgt;?1/supgt;的Tafel斜率。其制備方法為：將鈷鹽和鉬酸鹽溶于水中，再加入鐵鹽并進行水熱反應(yīng)，經(jīng)離心、洗滌、干燥得到鐵摻雜鉬酸鈷前驅(qū)體；將前驅(qū)體煅燒、冷卻即得目標產(chǎn)物。該制備方法簡便，原料成本低，工藝設(shè)備簡單，制備過程無廢水廢氣排放，對環(huán)境友好，具有規(guī)模化生產(chǎn)的潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于HER/OER雙功能的鐵摻雜鉬酸鈷電催化劑及其制備方法與應(yīng)用，屬于電催化劑技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

能源短缺和環(huán)境污染問題是21世紀以來人類社會發(fā)展所面臨的兩大難題，因此尋找潔凈可再生能源及開發(fā)高效的能量儲存和轉(zhuǎn)換技術(shù)是當務(wù)之急。氫能作為一種新型綠色能源受到了研究者的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)有的制氫技術(shù)中，電解水制氫因具有綠色、氫純度高和可持續(xù)等特點被認為是一種非常有吸引力的制氫方法。水電解過程包括兩個半反應(yīng)，即陰極上的析氫反應(yīng)(HER)和陽極上的析氧反應(yīng)(OER)，但在水的電催化分解過程中，HER和OER涉及多電子轉(zhuǎn)移過程，而且兩個反應(yīng)過電位大、能耗高，因此開發(fā)高效的析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)雙功能電催化劑是電解水制氫技術(shù)的關(guān)鍵。貴金屬鉑和銥釕氧化物是目前性能最優(yōu)的析氫反應(yīng)和析氧反應(yīng)催化劑，但其高成本制約了其規(guī)模化使用。另外，目前的研究主要集中在開發(fā)針對析氫反應(yīng)或析氧反應(yīng)的單功能催化劑，在實際應(yīng)用中需設(shè)計兩種不同類型的催化劑，這無疑增加了電解水設(shè)備的復(fù)雜性。因此，研發(fā)高活性、低成本的新型雙功能電催化劑是實現(xiàn)高效電催化全解水的關(guān)鍵。

鉬酸鈷(CoMoO₄)作為一種典型的過渡金屬氧化物，具有晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、氧化還原能力強、導(dǎo)電性好等優(yōu)點，在電催化分解水領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，由于活性位點利用率低、循環(huán)周期壽命不長等因素的制約，很大程度上限制了其進一步的實際應(yīng)用。通過摻雜、改變材料組成、形成缺陷等電子結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，能夠優(yōu)化鉬酸鈷材料的電子結(jié)構(gòu)，提升催化劑的本征活性(參見：Journal?of?Materials?Science,2020,55,6502-6512)。

中國專利文獻CN107715920A公開了一種ZIF-67/鉬酸鈷電解水析氧電催化劑及其制備方法，鉬酸鈷與ZIF-67的復(fù)合加快了電子轉(zhuǎn)移速率，提高了催化劑析氧活性，但該專利技術(shù)僅僅涉及了催化劑的析氧性能，并沒有開展該材料在析氫性能方面的研究；而且該催化劑材料具有較高的過電位，增加了體系能耗。因此，亟需通過優(yōu)化CoMoO₄的電子結(jié)構(gòu)，研發(fā)一種具有高活性的雙功能電催化劑來降低電解反應(yīng)的過電位以實現(xiàn)低功耗、高效地制備氫氣和氧氣。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于HER/OER雙功能的鐵摻雜鉬酸鈷電催化劑及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明利用簡單的水熱法制備了一種用于HER/OER雙功能的鐵摻雜鉬酸鈷電催化劑，F(xiàn)e元素的引入有利于優(yōu)化CoMoO₄的電子結(jié)構(gòu)，增加活性位點的暴露，使得所制備的鐵摻雜鉬酸鈷電催化劑具有優(yōu)異的HER和OER性能，且制備過程簡單環(huán)保，適合批量生產(chǎn)。

術(shù)語說明：

室溫：具有本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的含義，指25±5℃。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：