一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于复合金属纳米材料领域，具体为一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料及其制备方法。本发明专利技术采用水热合成法，在较低的温度下，将钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物生长在基底泡沫镍上，直接得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米片阵列。该材料是片状结构，这种结构能暴露更多的活性位点，具有良好的稳定性；并且泡沫镍具有良好的导电性，提高了电子迁移的速率使材料在电解水产氧方面具有很好的性能。本发明专利技术的实验条件简易有效，可重复性高，环境友好，成本低，原材料易得，有望应用于工业上制作高效的电催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合金属纳米材料领域，具体为一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
众所周知，能源化石燃料的日益短缺和环境污染日益严重的问题使人们迫切地开发许多可持续能源转化与储存的技术，而电解水因为其反应条件温和，操作简便，则被广泛认为是最有前景的可以生成清洁燃料氢气的一种策略。在电解水的应用中，由于析氧反应动力学缓慢，所以是整个水解过程的关键所在，同时活性位阻较高也降低了能量转化的效率，因此高效的催化剂材料一直是研究的方向。虽然像RuO2，IrO2等贵金属是至今最有效的催化剂材料，但是由于地球资源稀缺导致价格昂贵，从而限制了大规模应用，且催化性能不稳定，所以这些年人们致力于研究高效率且低成本的催化剂，其中采用过渡金属取代贵金属成为人们关注的重点。最近几年，复合过渡金属氧化物或氢氧化物的研究报道有很多，尤其在光电催化，超级电容器，电池制造领域里都具有巨大的前景。
技术实现思路
本专利技术中通过三种过渡金属的协同作用，极大地促进了析氧反应的进行，且作为基底的泡沫镍也提供了良好的导电性，同时我们采用水热合成法制备复合材料，该方法步骤简单，实验性强，便于推广使用。本专利技术采用水热合成法，制备获得钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料，具体制备方法，包括如下步骤：(1)预处理泡沫镍，备用；(2)将一定量的钴离子盐、铁离子盐、钒离子盐及尿素加入去离子水中，磁力搅拌使其充分溶解；然后将混合溶液移至高压反应釜中；将步骤(1)预处理过的泡沫镍浸于高压反应釜的溶液中；(3)将高压反应釜置于烘箱中，在一定温度下进行水热反应；反应结束后得到的泡沫镍进行洗涤和真空干燥后，得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料。步骤(1)中，泡沫镍的预处理方法为：将购买所得的泡沫镍剪裁成1cm*3cm的片，将其置于质量分数为36％～38％的浓盐酸浸泡并超声3分钟左右取出，再用水和乙醇浸泡超声10分钟且反复3次后置于真空干燥箱中干燥过夜即可。步骤(2)中，钴、铁和钒金属原子比为Co：Fe:V＝1～4：1～4：1，所述的钴的离子盐为六水合三氯化钴，铁的离子盐为六水合三氯化铁，钒的离子盐为三氯化钒；所述的钴、铁、钒离子盐的物质的量总和、尿素的质量、去离子水的体积比例为2mmol：0.2g：40mL。步骤(2)中，磁力搅拌的转速为400转/分钟，持续时间为15分钟。步骤(2)中，泡沫镍是垂直沿釜壁放置。步骤(3)中，水热温度为120℃，反应时间为20h。步骤(3)中，洗涤方式采用水和乙醇分别洗涤3次，放入真空干燥箱并控制干燥温度为60℃，持续10h。将本专利技术制备的钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料作为电化学析氧反应的催化剂的用途。电催化分解水是一种清洁的可持续能源转化与存储的技术，解离水产生的氢气燃烧热值高，燃烧后的产物是水，是作为代替煤、石油和天然气的理想燃料。而其中的析氧反应是电催化解水的决速反应，因此发展高效廉洁的析氧反应催化剂至关重要。本专利技术的有益效果为：(1)过渡金属的氢氧化物用来开发水氧化催化剂从而代替传统的IrO2和RuO2等贵金属催化剂大大节约了成本，并且制备原料丰富，材料本身具有活性佳和环境友好的特点。(2)本专利技术方法实验条件温和可控，实用性较强，可重复性高，环境友好，原材料易得且成本低廉，有望应用于电化学析氧反应的催化剂等领域。附图说明图1为本专利技术实施例1所得的钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料的X射线粉末衍射分析图(XRD)；图2为本专利技术实施例1所得的钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料的透射电镜图(TEM)；图3为实例1材料的极化曲线图(a)，Tafel曲线(b)，产氧效率图(c),i-t稳定性图(d)。具体实施方式下面结合具体实例，进一步阐述本专利技术，应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本专利技术实例中的原料购自上海国药集团，均为分析纯。实施例1称取0.2402g的六水合三氯化铁，0.2114g的六水合三氯化钴和0.0349g的三氯化钒以及0.2g的尿素加入到烧杯中，然后加入40mL的去离子水，再将烧杯放在磁力搅拌器上，以400转/分钟的转速均匀搅拌15分钟以保证盐类充分溶解。再将溶液移至50mL反应釜中，垂直沿壁放入2片已裁剪、预处理好的泡沫镍，随后将反应釜放入烘箱类，在120℃的温度下反应20h。待反应釜完全冷却后将泡沫镍取出并用去离子水和乙醇分别洗涤3次，最后将泡沫镍放在真空干燥箱中以60℃干燥10h取出，得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料。图1可以得出该材料的物相结构，在44.5°和51.9°的2个强峰归属于泡沫镍基底。另外，在11.8°，22.7°，34.4°，39.3°和64.9°分别对应于LDH结构的(003)，(006)，(102)，(105)和(116)晶面。图2是从泡沫镍基底上剥离下来的材料的透射电镜图，可以得出，该材料是一种纳米片状的结构。如图3可以得出，该材料作为OER催化剂具有良好的活性，10mA/cm2的电流密度下，它的过电势仅为241mV；Tafel斜率为57mV·dec-1；在产氧测试中，经过一个小时的测试，实际产氧与理论计算得出产氧量的几乎吻合，效率高达98.69％；在i-t稳定性测试中，材料能稳定达到10mA·cm-2以上的电流密度长达30小时以上，因此该材料是一个电催化电解水产氧高效材料，且稳定性良好。实施例2称取0.1802g的六水合三氯化铁，0.2379g的六水合三氯化钴和0.0524g的三氯化钒以及0.2g的尿素加入到烧杯中，然后加入40ml的去离子水，再将烧杯放在磁力搅拌器上，以400转/分钟的转速均匀搅拌15分钟以保证盐类充分溶解。再将溶液移至50mL反应釜中，垂直沿壁放入2片已裁剪、预处理好的泡沫镍，随后将反应釜放入烘箱类，在120℃的温度下反应20h。待反应釜完全冷却后将泡沫镍取出并用去离子水和乙醇分别洗涤3次，最后将泡沫镍放在真空干燥箱中以60℃干燥10h取出，得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料。实施例3称取0.1802g的六水合三氯化铁，0.1586g的六水合三氯化钴和0.1048g的三氯化钒以及0.2g的尿素加入到烧杯中，然后加入40ml的去离子水，再将烧杯放在磁力搅拌器上，以400转/分钟的转速均匀搅拌15分钟以保证盐类充分溶解。再将溶液移至50mL反应釜中，垂直沿壁放入2片已裁剪、预处理好的泡沫镍，随后将反应釜放入烘箱类，在120℃的温度下反应20h。待反应釜完全冷却后将泡沫镍取出并用去离子水和乙醇分别洗涤3次，最后将泡沫镍放在真空干燥箱中以60℃干燥10h取出，得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)预处理泡沫镍，备用；(2)将一定量的钴离子盐、铁离子盐、钒离子盐及尿素加入去离子水中，磁力搅拌使其充分溶解；然后将混合溶液移至高压反应釜中；将步骤(1)预处理过的泡沫镍浸于高压反应釜的溶液中；(3)将高压反应釜置于烘箱中，在一定温度下进行水热反应；反应结束后得到的泡沫镍进行洗涤和真空干燥后，得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)预处理泡沫镍，备用；(2)将一定量的钴离子盐、铁离子盐、钒离子盐及尿素加入去离子水中，磁力搅拌使其充分溶解；然后将混合溶液移至高压反应釜中；将步骤(1)预处理过的泡沫镍浸于高压反应釜的溶液中；(3)将高压反应釜置于烘箱中，在一定温度下进行水热反应；反应结束后得到的泡沫镍进行洗涤和真空干燥后，得到钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料。2.如权利要求1所述的一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，泡沫镍的预处理方法为：将购买所得的泡沫镍剪裁成1cm*3cm的片，将其置于质量分数为36％～38％的浓盐酸浸泡并超声3分钟左右取出，再用水和乙醇浸泡超声10分钟且反复3次后置于真空干燥箱中干燥过夜即可。3.如权利要求1所述的一种钒掺杂的钴铁层状双氢氧化物/泡沫镍纳米复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，钴、铁和钒金属原子比为Co：Fe:V＝1～4：1～4：1，所述的钴的离...

【专利技术属性】
技术研发人员：包健，胡奕明，王照龙，李华明，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32