一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途。所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂具有中空纳米纤维状结构，中空纳米纤维状结构的表面为粗糙的片层结构，同时还具有金属

【技术实现步骤摘要】
一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于电化学及新能源的催化剂
，具体而言，涉及一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]建立全球化的可持续发展的能源转换系统，保护我们赖以生存的环境，是当今人类面临的最重要的挑战之一。近年来，由化石燃料燃烧引起的能源供应和气候变化问题引起了人们的广泛关注。因此，为了减少人类社会生活对化石燃料的依赖，需要大力开发各种各样的可再生清洁能源(如太阳能、风能和水力发电等)来满足人类对能源的需求。
[0003]锌-空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度，并有望在能源转化与储存领域的广泛应用，引起国内外研究者的高度关注。其中，空气电极作为氧催化反应的核心区域，是整个锌-空气电池研究的重点。电化学氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)对于锌空气电池的性能起着至关重要的作用。目前，在碱性介质中贵金属Pt具有最高的ORR催化活性，Ir和Ru及其氧化物具有优异的OER催化活性，然而单一贵金属催化剂的高成本、稀缺性和无双功能催化活性严重制约了其商业化应用。
[0004]近年来，非贵金属双功能催化剂及其电极以其高活性、低成本以及种类丰富等特点逐渐成为新的催化剂候选者，开发与贵金属催化剂催化性能相当的非贵金属双功能催化剂显得尤为重要。
[0005]然而，现有的非贵金属双功能催化剂的结构缺陷受限于块状材料，反应活性位点少，影响电子迁移率；以及单一过渡金属材料导电性差，影响电催化反应活性的问题。
专利技术内容
[0006]针对上述现有技术存在的问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术的一个目的在于提供一种超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂，所述催化剂包括镍钴氧化物，同时具有OER和ORR活性，可以作为一种新型双功能电催化剂。
[0007]所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂具有中空纳米纤维状结构，长度为1至10μm，中空直径为10nm至1μm，中空纳米纤维状结构的表面为粗糙的片层结构，所述片层结构长度1μm至10μm，片层厚度为1nm至50nm，同时所述催化剂的双金属镍钴氧化物还具有金属-有机框架材料(MOF)结构，其中金属镍和钴的摩尔比为1:20至1:0.05。
[0008]优选地，所述催化剂中金属镍和钴的摩尔比为1:2。
[0009]根据本专利技术的另一个方面，本专利技术的另一个目的在于提供所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0010]1)钼酸铵溶解在强酸中，超声分散均匀后转移至反应釜中，160至240℃水热反应8至24小时后冷却至室温，经过水洗、醇洗、60℃烘干后得到白色MoO3纳米纤维；
[0011]2)将对苯二甲酸(PTA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-30)，NiCl2·
6H2O和CoCl2·
6H2O溶解在三者体积比为1:1:1的水、乙醇和二甲基甲酰胺(DMF)的混合液中，制备得到NiCo-MOF
前驱体溶液；
[0012]3)将步骤1)中制备得到的MoO3纳米纤维均匀分散在步骤2)的NiCo-MOF前驱体溶液中，120至180℃下水热反应4至12小时，反应结束后冷却至室温离心收集后，70℃真空烘干得到具有核壳结构的MoO3@NiCo-MOF复合催化剂前体，其中MoO3纳米纤维浓度为0.01～10mg/mL；
[0013]4)将步骤3)中得到的MoO3@NiCo-MOF复合催化剂前体加入氨水中进行刻蚀处理，除去MoO3纳米纤维，其中氨水浓度为0.01～10M，MoO3@NiCo-MOF的浓度为0.1～100g/L，刻蚀的时间为10min～5h。
[0014]5)在空气中200至400℃下退火1至4小时氧化步骤4)中得到的超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂。
[0015]优选地，步骤1)中所述强酸选自硝酸或盐酸。
[0016]根据本专利技术的另一个方面，本专利技术的另一个目的在于提供所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂作为电池、电容器，电解槽中电极材料或催化剂的用途。
[0017]优选地，根据本专利技术的所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的用途，所述电池为锌-空气电池。
[0018]有益效果
[0019]根据本专利技术所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂形貌稳定可控，同时其超薄的片状结构提供了更多的反应活性位点，管状催化剂提供了更稳定的结构基础，不易发生片层间的堆叠团聚，有利于更长时间的反应稳定性。因此具有优异的OER和ORR电催化活性，是一种极具潜力的过渡金属基双功能电催化剂。所述催化剂的制备方法操作简单，无需特殊的实验条件，成本低廉，更易于大规模工业化生产。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为根据本专利技术的所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的制备方法流程示意图。
[0022]图2为实施例1制备的MoO3纳米纤维的SEM图。
[0023]图3为实施例1制备的MoO3@NiCo-MOF的SEM图。
[0024]图4为实施例1中刻蚀后的超薄镍钴氢氧化物纳米片管状催化剂的SEM图。
[0025]图5为实施例1中退火后的超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的SEM图。
[0026]图6为实施例1制备的MoO3@NiCo-MOF的元素分布mapping图。
[0027]图7(a)为实施例1和2以及对比实施例1至3制备的超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的ORR测试图；图7(b)为实施例1和2以及对比实施例1至3制备的超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的OER测试图。
[0028]图8为对比例2中制备的电催化剂的SEM图。
具体实施方式
[0029]以下，将详细地描述本专利技术。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许专利技术人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本专利技术的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本专利技术的范围，从而应当理解的是，在不偏离本专利技术的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。
[0030]当有机小分子作为配体与中心原子通过自组装形成的具有周期性网络结构的化合物，称为金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOF)化合物，其是近十年来发展迅速的一种配位聚合物，具有三维的孔结构，一般以金属离子为连接点，有机配位体支撑构成空间3D延伸，是沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料，在催化、储能和分离中都有广泛应用。
[0031]根据本专利技术的超薄镍钴氧化物纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂，所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂具有中空纳米纤维状结构，长度为1至10μm，中空直径为10nm至1μm，中空纳米纤维状结构的表面为粗糙的片层结构，所述片层结构长度1μm至10μm，片层厚度为1nm至50nm，同时所述催化剂的双金属镍钴氧化物还具有金属-有机框架材料(MOF)结构，其中金属镍和钴的摩尔比为1:20至1:0.05。2.根据权利要求1所述的超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂，其特征在于，其中金属镍和钴的摩尔比为1:2。3.根据权利要求1或2所述的超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的制备方法，包括如下步骤：1)钼酸铵溶解在强酸中，超声分散均匀后转移至反应釜中，160至240℃水热反应8至24小时后冷却至室温，经过水洗、醇洗、60℃烘干后得到白色MoO3纳米纤维；2)将对苯二甲酸(PTA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-30)，NiCl2·
6H2O和CoCl2·
6H2O溶解在三者体积比为1:1:1的水、乙醇和二甲基甲酰胺(DMF)的混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：水玲玲，薛亚飞，金名亮，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：