一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂及其制备方法和电催化应用技术

本发明专利技术涉及一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂及其制备方法和电催化应用。本发明专利技术以铁镍盐为前驱体先形成类普鲁士蓝/普鲁士蓝，引入[A1][A2]处理后的海洋废弃动物材料为碳源，再引入磷钨酸形成混悬液，经固化及碳化后得到复合材料。具体制备方法如下：铁盐和镍盐先形成类普鲁士蓝；磷钨酸以普鲁士蓝为核形成磷钨酸钾包裹在外层；经微波辅助处理得到金属

【技术实现步骤摘要】
一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂及其制备方法和电催化应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，涉及一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂及其制备方法和电催化应用。

技术介绍

[0002]针对当前全球面临的“碳达峰”和“碳中和”的挑战，电催化分解水被认为是解决因过度消耗化石燃料而导致的日益严重的能源短缺问题的最有效、最环保的手段之一。在整个水分解反应中，析氧反应（OER）被认为是决速步，因为在O
‑
H键断裂和O
‑
O键形成过程中需要较高的热力学能垒。然而，它通常会遇到严重的动力学慢的问题，从而限制了水分解效率，迫切需要开发一种高活性电催化剂来促进OER。众所周知，高效的贵金属催化剂如Pd、Ir、Ru及其氧化物在OER中的广泛应用因其存储容量有限和价格昂贵而受到阻碍。因此，大量的研究致力于开发非贵金属基催化剂。为了最大限度地提高非贵金属催化剂的OER电催化活性，需要合理设计催化剂的组分及结构。在过去的几十年里，研究者致力于第一族过渡金属（如Fe和Ni）基纳米材料的研究，这些材料具有可调的表面几何形状/电子结构，使其成为较优OER备选催化剂。然而，单组分镍基和/或铁基催化剂的性能仍然受到活性位点不足、本征活性低和导电性差等因素的限制。研究表明，在镍基材料中加入第二种金属，特别是Fe，形成二元组分金属，将明显提高OER活性。其中，Ni/ Fe基合金以其非常好的导电性、非常好的机械强度、可调的电子结构和低成本吸引了人们的研究兴趣。但最令人困扰的问题之一是镍/铁基合金催化剂在强碱性电解液和高过电位下长期运行时较不稳定。

技术实现思路

[0003]鉴于此，本专利技术提供了一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂及其制备方法和电催化应用，本专利技术提供的复合催化剂制备以废弃鱼鳞为碳源、采用储量丰富且廉价的金属代替贵金属、产物产量高、成本低且环境友好，作为OER催化剂时，具有优异的催化性能和较高的稳定性。
[0004]本专利技术提供了一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料，所述铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料具有多孔结构；所示铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料中细小的纳米颗粒均匀的分布在碳层。
[0005]优选地，所述铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂比表面积为100~300 m
2 g
‑1。
[0006]优选地，所述铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂中纳米颗粒分布非常均匀。
[0007]本专利技术提供了上述技术方案所述铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：（1）将海洋废弃动物材料依次用酸碱及生物酶处理得到浓缩溶液；（2）将铁盐和镍盐以一定比列混合，得到均一的普鲁士蓝/类普鲁士蓝胶体； (3) 将步骤1的前驱体和步骤2所得胶体进行混合；（4）对步骤3所得溶液中加入钨源，得到均一固体悬浮液；（5）对步
骤4所得的悬浮液进行固化处理；（6）将步骤5所得固体在一定温度一定惰性气氛条件下碳化，得到黑色产物。
[0008]优选地，所述所述强碱溶液的摩尔浓度优选为1~30 mol L
‑1，所述强碱溶液为氢氧化钾溶液和/或氢氧化钠溶液；所述强酸浓度为20~50 %，所述强酸为浓盐酸；所述酶的质量浓度为20~50 %，所述酶为碱性蛋白酶。
[0009]优选地，所述铁盐和镍盐为铁氰化钾、亚铁氰化钾、氯化镍、硝酸镍、硫酸镍及乙酸镍。所述钨源为磷钨酸。
[0010]优选地，所述碳化温度为600~11 00 ℃，时间为2~4 h，升温至碳化温度的升温速率为4~12 ℃ min
‑1。
[0011]本专利技术提供了上述技术方案所述铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料或上述技术方案所述制备方法得到的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂在电催化OER中的应用。
[0012]本专利技术提供的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料为均一的纳米合金分布在碳层的结构，比表面积大，碳层石墨化程度高，且氮掺杂，有利于提高材料实际使用时的电催化活性。由实施例的结果表明，本专利技术提供的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂修饰的玻碳电极，在OER中，达到在10 mA cm
‑2电流密度所需的过电势非常低，且稳定性非常好。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有以下创新点。
[0014]（1）采用海洋废弃材料为碳源。通过生物方法将固体材料液化处理，所得浓缩液可以与金属前驱体形成均匀的配合物/混合体系，可以与任意金属盐结合成前驱体，具有普适性。
[0015]（2）基于前驱体的优势，可以通过一步碳化方法，制备金属物质负载在碳基体的复合材料，步骤简单，易定量。
[0016]（3）所得产物产量高，可以实现大量制备，在管径80 mm
×
120 mm的管式炉中，以100 mm
×
65 mm
×
30 mm的刚玉舟为反应容器，一次可以制备10
‑
15 g。
[0017]（4）所制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料修饰的玻碳电极，仅需要279mV过电势即可达到在10 mA cm
‑2电流密度，经2000次循环后，过电势差仅有11 mV，稳定性非常好。
附图说明
[0018]图1为实施例1制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料的透射电镜图。
[0019]图2为实施例1制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料的扫描电镜图。
[0020]图3为实施例1制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料的X射线衍射谱线图。
[0021]图4为实施例1制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料的Fe2p的芯能级区XPS谱图。
[0022]图5为实施例1制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料中的Ni2p的芯能级区XPS谱图。
[0023]图6为实施例1制备的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料中的W4f的芯能级区XPS谱图。
[0024]图7为应用例1铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料的吸附等温曲线。
[0025]图8为应用例1铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料的孔径分布曲线。
[0026]图9为应用例1铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料线性伏安扫描曲线。
[0027]图10为应用例1铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料Tafel图。
[0028]图11为应用例1铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料循环2000次前后的线性伏安扫描曲线对比图。
[0029]图12为应用例2铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料线性伏安扫描曲线。
[0030]图13为应用例2铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料Tafel图。
具体实施方式
[0031]本专利技术提供了一种二维铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂材料及其制备方法和电催化应用，本专利技术提供的复合催化剂制备以海洋废弃动物材料为碳源、采用储量丰富且廉价的金属代替贵金属、产物产量高、成本低且环境友好，作为OER催化剂时，具有非常好的催化活性和稳定性。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂及其制备方法和电催化应用，其特征在于，按以下步骤：（1）将海洋废弃鱼鳞依次用酸碱溶液浸泡处理，然后酶解18 h，经过滤得到液态溶液；（2）将铁盐和镍盐以一定比列混合，得到均一的普鲁士蓝/类普鲁士蓝胶体； (3) 将步骤1的前驱体和步骤2所得胶体进行混合；（4）对步骤3所得溶液中加入磷钨酸，得到均一固体悬浮液；（5）对步骤4所得的悬浮液进行固化处理；（6）将步骤5所得固体在一定温度一定惰性气氛条件下碳化，得到黑色产物；（7）将步骤6所得产物配成浆料，滴涂定量在玻碳电极表面，形成工作电极；（8）构建三电极体系，对步骤（7）所得电极进行电催化性能测试。2.根据权利要求1所述的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂，其特征在于，步骤1中所使用的HCl浓度为20~50%，NaOH的浓度为1~30 mol L
‑1；所述酶的质量浓度为20~50 %，所述酶为碱性蛋白酶。3.根据权利要求1和2所述的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化剂，其特征在于步骤2所采用的铁盐和镍盐包括：亚铁氰化钾、铁氰化钾、氯化镍、硝酸镍或硫酸镍。4.根据权利要求1、2或3所述的铁镍合金@碳化钨/碳复合催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，王宝丽，姚昱岑，朱林，张泽俊，徐士官，罗书昌，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：