一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用，所述方法包括将镍铁盐溶液和碱溶液的混合体系暴露于氧化性气氛中反应的步骤；所述的镍铁盐溶液是可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并均匀混合所得溶液；所述的可溶性亚铁盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁或乙酸亚铁；所述的可溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍或乙酸镍。采用本发明专利技术的方法生产所述OER催化剂所需设备简单，操作方便，成本低。同时所制备的Fe

An electrocatalyst for oxygen evolution reaction and its preparation and Application

The invention relates to an oxygen evolution reaction catalyst, preparation method and application thereof, wherein the method comprises the mixing system of nickel iron salt solution and alkali solution exposed to oxidizing atmosphere reaction steps; nickel salt solution which is a soluble ferrous salt and soluble nickel salt dissolved in water and mix the solution; the soluble ferrous salt selected from ferrous sulfate or ferrous chloride, ferrous acetate; the soluble nickel salt selected from nickel sulfate, nickel chloride and nickel acetate. The method for the production of the OER catalyst by the method of the invention is simple, easy to operate and low in cost. The Fe prepared at the same time

【技术实现步骤摘要】
一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用
本专利技术属于电化学催化剂的制备领域，涉及一类可用于催化析氧反应(OER)的Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2纳米棒的制备方法。
技术介绍
现代社会中，人们的衣食住行都紧紧地与能源供应和消费相联系，如烧火做饭、取暖、照明、交通运输、工业生产等都离不开能源。可以说，没有能源工业就没有现代文明。此外，化石类能源是不洁净能源，在满足人们绝大部分能源需求的同时，也向自然界排放了大量的废水、废气、废渣，造成了酸雨危害、温室效应、臭氧层破坏和化学定时炸弹的威胁等全球性环境问题。在21世纪，随着全球经济的持续发展，其所依赖的化石能源，特别是石油、煤炭、天然气等正面临着严重的资源枯竭问题，节约资源、高效利用现有资源、开发洁净能源和新技术是21世纪世界能源科技的主题。而金属空气电池具有原材料丰富、安全环保、能量密度高等优点，被称为“面向21世纪的新型绿色能源”。金属空气电池的阳极为活泼金属(如Mg、Al和Zn等)，放电时金属M被氧化成相应的金属离子M+；充电时为金属离子还原成相应的金属。阴极活性物质为空气中的氧气，放电时O2被还原成OH-；充电时OH-被氧化O2析出。金属空气燃料电池的燃料金属M和氧化剂O2可通过充电过程得以“再生”，起到蓄能作用。然而由于析氧反应缓慢的动力学过程，氧气析出需要的电压远远高于热力学电势，严重限制了可充电金属空气电池的应用。到目前为止，IrO2是在碱性体系中性能和稳定性最好的OER催化剂，但由于其在地球上的含量稀少，价格昂贵，大大限制了它们商业化的应用。因此开发价格低廉、稳定高效的OER催化剂具有重要的意义。除了贵金属，同时含有镍铁的氧化物或氢氧化物在碱性介质中具有较高的析氧催化活性。有趣的是，单独的氢氧化镍和铁氧化物催化OER的性能很差，但是复合的镍铁氢氧化物就表现出优异的OER性能。2014年，Boettcher等人通过原位电化学方法制备出Ni1-xFexOOH薄膜，用于氧气析出，发现掺入的Fe不仅提高薄膜的导电性还促进了Ni的部分电荷转移作用，从而明显提高了OER性能。2015年，Dai等人利用碳纳米管的高导电性，将Ni-Fe层状双氢氧化物(与α-Ni(OH)2结构相似)与碳纳米管复合得到高性能的OER催化剂，并将其发表在《JournaloftheAmericanChemicalSociety》上。2016年，Yan等人在《ElectrochemistryCommunications》报道了通过水热方法制得纳米片状的Ni-Fe层状双氢氧化物用于催化OER。但是之前的研究主要侧重在原位电化学生成的铁掺杂的γ-NiOOH和Ni-Fe层状双氢氧化物。此外相比于商业化的IrO2，这些催化剂仍然存在稳定性差，催化剂合成复杂等问题。
技术实现思路
本专利技术旨在针对现有OER催化剂价格昂贵、催化电流密度低，过电位高、稳定性差、合成方法复杂问题，提出解决方案。为此本专利技术系统地提供一种析氧反应电催化剂、其制备方法及应用。首先，本专利技术所述的析氧反应(OER)电催化剂的制备方法包括将镍铁盐溶液和碱溶液的混合体系暴露于氧化性气氛中反应的步骤；所述的镍铁盐溶液是可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并均匀混合所得溶液；所述的可溶性亚铁盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁或乙酸亚铁；所述的可溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍或乙酸镍。该合成方法所需设备简单，操作方便，成本低。另一方面，通过上述方法制备得到的是Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2。是具有纳米棒微观结构的析氧反应电催化剂，具备非常优异的OER活性。Tafel斜率可达到32mVdec-1，过电位为0.26V时电流密度为10mAcm-2，并且活性和稳定性均优于现有技术中报导的NiFe层状双氢氧化物和目前性能最好的IrO2。可作为可再生燃料电池、可充电金属空气电池、电解水等领域的电催化剂。基于此，本专利技术再一方面的目的在于提供上述本专利技术的Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2在析氧反应(OER)中的应用。尤其是在碱性条件下用作OER催化剂。采用本专利技术的方法生产所述OER催化剂所需设备简单，操作方便，成本低。同时所制备的Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2催化剂呈现纳米棒状微观形态，具有很好的OER活性，Tafel斜率达到32mVdec-1，过电位为0.26V时电流密度为10mAcm-2，并且活性和稳定性均优于之前报道的NiFe层状双氢氧化物和目前性能最好的IrO2。因此Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2纳米棒可作为可再生燃料电池、可充电金属空气电池、电解水等领域的电催化剂。附图说明本专利技术附图2幅:图1是实施例4中Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2材料的透射电镜图；图2是实施例1～9中所制备的Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2材料的X射线衍射(XRD)谱图。具体实施方式本专利技术提供一种析氧反应电催化剂的制备方法，以及由此制备得到的催化剂。该所述析氧反应电催化剂是Fe3+掺杂的β-Ni(OH)2。本专利技术的首先提供一种析氧反应电催化剂的制备方法，本专利技术基于改进的原子级别的拓扑化学转换方法，在惰性气体保护下，以Ni和Fe盐溶液与碱溶液反应生成二价Fe掺杂的β-Ni(OH)2，然后采用原子级别的拓扑化学转换方法在氧化性气氛中被氧化生成三价Fe掺杂的β-Ni(OH)2催化剂。本专利技术所述的上述方法包括将镍铁盐溶液与碱溶液混合，并将该混合体系暴露于氧化性气氛中的步骤。其中，镍铁盐溶液是可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并均匀混合所得溶液；所述的可溶性亚铁盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁或乙酸亚铁；优选硫酸亚铁；所述的可溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍或乙酸镍；优选硫酸镍。进一步优选的，所述的镍铁盐溶液浓度(按照溶液中镍离子和铁离子的浓度总和)为0.1～2mol/L。更优选的实技术方案中，所述的镍铁盐溶液中，亚铁盐与镍盐的摩尔比为0.05～0.6。上述本专利技术的方法中，所述的碱溶液是指按照本领域常规理解，可用于提供氢氧根离子的溶液，可选用但不限于氢氧化钾水溶液、氢氧化钠或氨水。其中尤其优选氢氧化钾水溶液。更为优选的，所述碱溶液中，按照OH-计，其浓度为0.1～5mol/L。碱溶液的用量可以根据OH-的物质的量为镍离子和铁离子摩尔总数的2～30倍来计算。具体实施方式中，所述镍铁盐溶液与碱溶液混合的过程，是将镍铁盐溶液逐滴加入碱溶液制得混合体系，以控制反应可能发生的激烈的副作用。滴加的速率为0.5～4mL/min；优选1mL/min。再一具体的实施方式中，所述镍铁盐溶液的配制及其与碱溶液的混合在惰性气体保护条件下进行。所述惰性气体按照本领域常规理解选择即可。上述本专利技术的方法中，镍铁盐溶液与碱溶液的混合体系暴露于氧化性气氛中，目的在于氧化2价Fe为3价，其所述的氧化性气氛为空气，氧气或臭氧；优选空气。反应温度是20-90℃。优选80℃。反应时间为4～6小时。根据上述描述，优选技术特征的组合可得到本专利技术制备方法的优选技术方案，此类优选技术方案可举例如下，但并不限于此。优选的技术方案中，本专利技术所述的制备方法包括如下步骤：(1)惰性气氛保护下，可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并混合均匀制备浓度为0.1～2mol/L的镍铁盐溶液；(2)在惰性气氛保护下，将步骤(1)所制备的镍铁盐溶液按照1mL/min的速度逐滴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种析氧反应电催化剂的制备方法，所述方法包括将镍铁盐溶液和碱溶液的混合体系暴露于氧化性气氛中反应的步骤；所述的镍铁盐溶液是可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并均匀混合所得溶液；所述的可溶性亚铁盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁或乙酸亚铁；所述的可溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍或乙酸镍。

【技术特征摘要】
1.一种析氧反应电催化剂的制备方法，所述方法包括将镍铁盐溶液和碱溶液的混合体系暴露于氧化性气氛中反应的步骤；所述的镍铁盐溶液是可溶性亚铁盐和可溶性镍盐溶解于水并均匀混合所得溶液；所述的可溶性亚铁盐选自硫酸亚铁、氯化亚铁或乙酸亚铁；所述的可溶性镍盐选自硫酸镍、氯化镍或乙酸镍。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碱溶液选自氢氧化钾水溶液、氢氧化钠或氨水。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的镍铁盐溶液浓度为0.1～2mol/L；所述的镍铁盐溶液中，亚铁盐与镍盐的摩尔比为0.05～0.6。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱溶液中，按照OH-计，其物质的量为镍离子和铁离子摩尔总数的2～30倍。5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，将镍铁盐溶液逐滴加入碱溶液制得混合体系，滴加的速率为0.5～4mL/min；优选1mL/min。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨维慎，朱凯月，朱雪峰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21