一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极及其制备方法，氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极包括导电电极载体，在导电电极载体上负载有镍铁氢氧化物，在镍铁氢氧化物上吸附有氢氧化铁胶体颗粒。制备方法包括：在导电电极载体上通过电沉积或阳极氧化的方法，得到负载氢氧化镍的电极；然后掺杂铁离子，得到负载镍铁氢氧化物的电极；将负载镍铁氢氧化物的电极置入含有氢氧化铁胶体颗粒的碱性液中，氢氧化铁胶体颗粒通过静电作用吸附在镍铁氢氧化物上，得到氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极。该析氧电极催化活性高、稳定性好、制备方法简单、成本低廉、环境友好、易于规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极及其制备方法
本专利技术涉及电催化材料
，具体而言，涉及一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极及其制备方法。
技术介绍
目前，由于能源和环境问题，迫切需要用可持续和清洁的能源取代传统的化石燃料。水分解制备氢气和氧气作为一种可持续和清洁的能源，吸引了全球科学家进行研究。电解水是将间歇能源(如太阳能和风能)转化为氢燃料的重要步骤。电解水包括析氢反应(HER)和析氧反应(OER)，与析氢反应相比，析氧反应的动力学缓慢，严重限制了电解水的工业化发展。鉴于贵金属(Ir和Ru等)催化剂的昂贵和稀缺资源特性，过渡金属NiFe基催化剂在碱性介质中表现出了较好的应用潜力，但是其催化活性依然不能满足当前对析氧电极对催化剂活性的要求。因此，有必要开发一种新的催化活性更好的以NiFe为催化剂的析氧电极。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极及其制备方法，该改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极催化活性高、稳定性好、制备方法简单、成本低廉、环境友好、易于规模化生产。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极，包括导电电极载体，导电电极载体上负载有镍铁氢氧化物，镍铁氢氧化物上吸附有氢氧化铁胶体颗粒。根据本专利技术的另一方面，提供了一种上述的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极的制备方法，包括以下步骤：r>(1)在导电电极载体上负载镍铁氢氧化物，得到负载镍铁氢氧化物的电极；(2)将负载镍铁氢氧化物的电极置入含有氢氧化铁胶体颗粒的碱性液中，氢氧化铁胶体颗粒通过静电作用吸附在镍铁氢氧化物上，得到氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极。本专利技术的制备方法，将负载镍铁氢氧化物的电极置入含有氢氧化铁胶体颗粒的碱性液中，具有电负性的氢氧化铁胶体颗粒通过和电极上的Ni2+/Fe3+(镍铁氢氧化物)的静电作用，吸附在电极上，得到氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极；通过氢氧化铁胶体颗粒使镍铁氢氧化物的电子结构发生变化，使镍的价态升高，进而有利于镍铁氢氧化物导电性的提高和析氧反应中间产物的吸附，从而提高了析氧电极的催化活性。进一步地，步骤(2)中，含有氢氧化铁胶体颗粒的碱性液，具体是指：含有10μmol/L～1000μmol/L铁的物质的量浓度的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。铁离子可以以FeCl3、Fe(NO3)3等水溶性铁盐的形式引入到氢氧化钾或氢氧化钠溶液中。由于Fe(OH)3的溶度积常数很小(Ksp为4×10-38mol/L)，因而三价铁离子会以Fe(OH)3胶体的形式存在于碱性溶液中。在本专利技术中，导电电极载体可以采用泡沫镍电极，也可以采用常规的玻碳电极。采用泡沫镍可以增加析氧反应的表面积，有利于提高电极的催化活性。试验发现，采用泡沫镍电极只需要过电位238mV，便可以获得10mA/cm2的电流密度。采用玻碳电极负载氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极达到10mA/cm2的电流密度，只需过电位298mV。当采用泡沫镍电极作为导电电极载体时，步骤(1)中，在导电电极载体上负载镍铁氢氧化物，具体是指：以泡沫镍电极为工作电极、铂片为对电极、饱和氯化银为参比电极、氢氧化钾溶液为电解液，对泡沫镍电极施加析氧电流，在泡沫镍电极上原位生成氢氧化镍；然后将泡沫镍电极浸入水溶性铁盐溶液中，在泡沫镍电极表面掺杂形成镍铁氢氧化物。水溶性铁盐溶液可采用氯化铁溶液或硝酸铁溶液，也可采用其他水溶性铁盐溶液。水溶性铁盐溶液中铁离子的浓度为10mmol/L～40mmol/L。另外，也可以在生成氢氧化镍后，直接向电解液中加入水溶性铁盐，使铁掺杂在泡沫镍电极表面形成镍铁氢氧化物。采用此种方案时，铁离子在碱性溶液中会生成氢氧化铁胶体，氢氧化铁胶体颗粒会吸附在镍铁氢氧化物上，镍铁氢氧化物的形成和氢氧化铁胶体颗粒的吸附在一个溶液体系中完成。当采用非镍基电极作为导电电极载体时，步骤(1)中，在导电电极载体上负载镍铁氢氧化物，具体是指：将非镍基电极浸入镍离子溶液中，通过电沉积方法在非镍基电极的表面生长氢氧化镍；然后将生长有氢氧化镍的非镍基电极浸入水溶性铁盐溶液中，在非镍基电极表面掺杂形成镍铁氢氧化物。镍离子溶液可以采用氯化镍溶液或硝酸镍溶液，镍离子溶液的浓度为1mmol/L～100mmol/L。水溶性铁盐溶液可以采用氯化铁溶液或硝酸铁溶液，也可采用其他水溶性铁盐溶液。水溶性铁盐溶液中铁离子的浓度为10mmol/L～40mmol/L。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极，通过负载氢氧化铁胶体颗粒对析氧电极上的镍铁氢氧化物进行改性，改变镍铁氢氧化物的电子结构，使镍的价态升高，从而提高镍铁氢氧化物复合析氧电极的催化反应活性。该氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极具有催化活性高、稳定性好、制备方法简单、成本低廉、环境友好、易于规模化生产等诸多优点。附图说明图1为含有不同浓度Fe时所用碱性电解液1mol/LKOH的丁达尔效应照片。图2为本专利技术实施例1中，氢氧化铁胶体改性前后，镍铁氢氧化物在玻碳电极上的线性扫描伏安曲线。图3为纯净泡沫镍电极(a)、本专利技术实施例2(c)以及实施例4(b)的析氧电极的扫描电镜图(SEM)。图4为本专利技术实施例2的析氧电极经超声剥离后脱落颗粒的透射电镜图(TEM)。图5为本专利技术实施例2、实施例3、实施例4、对比例1和对比例2中，不同含量的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物析氧电极以及贵金属RuO2在泡沫镍电极上的线性扫描伏安曲线。图6为本专利技术实施例2、实施例3、实施例4、对比例1和对比例2中，不同含量的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物析氧电极催化析氧反应时，电流密度达到10mA/cm2所需过电位和ICP所测定的铁含量之间的关系。图7为本专利技术实施例2所制备的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物析氧电极10mA/cm2恒流电解20h前后的线性扫描伏安曲线。图8为本专利技术实施例2、实施例3、实施例4中，不同含量的氢氧化铁胶体颗粒改性前后镍铁氢氧化物的X射线光电子能谱(XPS)。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合较佳的实施例对本专利技术作更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体的实施例。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。除非另有特别说明，本专利技术中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。实施例1：一种本专利技术的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极的制备方法，包括以下步骤：(1)玻碳电极的前处理：将玻碳电极用50nm的氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极，包括导电电极载体，其特征在于，所述导电电极载体上负载有镍铁氢氧化物，所述镍铁氢氧化物上吸附有氢氧化铁胶体颗粒。/n

【技术特征摘要】
1.一种氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极，包括导电电极载体，其特征在于，所述导电电极载体上负载有镍铁氢氧化物，所述镍铁氢氧化物上吸附有氢氧化铁胶体颗粒。


2.一种如权利要求1所述的氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在导电电极载体上负载镍铁氢氧化物，得到负载镍铁氢氧化物的电极；
(2)将负载镍铁氢氧化物的电极置入含有氢氧化铁胶体颗粒的碱性液中，氢氧化铁胶体颗粒通过静电作用吸附在镍铁氢氧化物上，得到氢氧化铁胶体颗粒改性的镍铁氢氧化物复合析氧电极。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述含有氢氧化铁胶体颗粒的碱性液，具体是指：含有10μmol/L～1mmol/L铁的物质的量浓度的氢氧化钾或氢氧化钠溶液。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述导电电极载体为泡沫镍电极。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述在导电电极载体上负载镍铁氢氧化物，具体是指：
以泡沫镍电极为工作电极、铂片为对电极、饱和氯化银为参比电极、氢氧化钾溶液为电解液，对泡沫镍电极施加析氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，张翼，雷雨来，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43