一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将铁盐和钴盐加入预制备的分散有黑磷纳米片的N，N

【技术实现步骤摘要】
一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化
，特别涉及一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，鉴于化石燃料枯竭、环境污染严重等危害人类生存的问题的日趋严重，清洁可再生能源成为研究热点；其中，氢能因为无污染、热量高等优点被大力发展。
[0003]目前，甲烷和石油天然气的煤气化重整是生产氢气的主要方法，占氢气总量的95％以上；但甲烷和石油天然气的煤气化重整严重依赖化石燃料，会产生大量的二氧化碳和一氧化碳副产物，严重加剧环境问题，不符合绿色可持续发展。电解水制氢可使用太阳能、风能、潮汐能、以及生物质能等清洁能源产生的电力来驱动发生，且氢纯度较高、安全性较好，成为了研究热点。电解水包括两个反应：阴极发生析氢反应(HER)，阳极发生析氧反应(OER)；其需要施加额外电压才能顺利发生反应；因此，通过设计高效的阴极、阳极催化剂来提升反应速率，降低反应过电势，是将电解水制氢推向工业化的必经之路。
[0004]目前，商业析氢催化剂为Pt/C，析氧催化剂为RuO2和IrO2；但是，Pt、Ru、Ir均为贵金属，具有储量低、价格昂贵且稳定性较差的缺陷。因此，发展非贵金属催化剂来获取高效稳定性的双功能电解水催化剂是替代贵金属催化剂的可行方案。金属有机结构框架(MOF)因其较大的比表面积、超高的孔隙率、可调的孔尺寸和可修饰的官能团等特点备受关注，MOF材料的研究主要集中在析氧反应，但其析氢反应性能较差；另一方面，黑磷(BP)因其可调节的带隙、较大的载流子速率、热动力学稳定的特点也被用来作为电催化剂，但是黑磷本身的析氢和析氧性能并不优异，因此制备黑磷基复合纳米材料是改善其催化性能的必要手段。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种电解水双功能电催化剂及其制备方法和应用，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术的方法，可制备廉价高效稳定的FeCoMOF/BP复合材料双功能电解水催化剂，相比于上述现有催化剂具有更优异的活性、稳定性，可适于工业化应用。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供的一种电解水双功能电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将铁盐和钴盐加入预制备的分散有黑磷纳米片的N，N
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二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌均匀后，获得混合液；
[0009]在混合液中加入对苯二甲酸，常温搅拌均匀后再依次加入水、乙醇和三乙胺，常温搅拌使金属离子与对苯二甲酸进行配位形成MOF框架，离心并乙醇洗涤，获得离心沉淀物；
[0010]将所述离心沉淀物真空干燥，获得电解水双功能电催化剂。
[0011]本专利技术的进一步改进在于，所述混合液中，铁离子与钴离子的摩尔比为1：(1～3)。
[0012]本专利技术的进一步改进在于，所述铁盐为九水合硝酸铁或六水合三氯化铁。
[0013]本专利技术的进一步改进在于，所述钴盐为六水合硝酸钴、六水合氯化钴或四水合乙酸钴。
[0014]本专利技术的进一步改进在于，所述预制备的分散有黑磷纳米片的N，N
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二甲基甲酰胺溶液的获取步骤包括：
[0015]将四丁基四氟硼酸铵装入有N，N
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二甲基甲酰胺溶液的电解池中；
[0016]夹有铂丝的阳极电极夹及夹有块体黑磷的阴极电极夹浸入所述电解池中，施加恒定的预设电压，进行电化学剥离块体黑磷；剥离完毕后进行离心，洗涤，获得黑磷纳米片；
[0017]将黑磷纳米片分散在N，N
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二甲基甲酰胺溶液中，获得所述预制备的分散有黑磷纳米片的N，N
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二甲基甲酰胺溶液。
[0018]本专利技术的进一步改进在于，所述常温搅拌使金属离子与对苯二甲酸进行配位形成MOF框架时，常温搅拌时间为12～24小时。
[0019]本专利技术的进一步改进在于，所述将所述离心沉淀物真空干燥时，温度控制在60℃以上。
[0020]本专利技术提供的一种上述述制备方法制备获得的电解水双功能电催化剂，在10mA cm
‑2电流密度下的析氢过电势能够达到199mV。
[0021]本专利技术提供的一种电解水双功能电催化剂的应用，用于作为电解水的析氢和析氧催化剂。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术提供了一种基于黑磷的电解水双功能催化剂的制备方法，其核心是将少层黑磷和金属盐在有机溶剂中进行常温搅拌即可制备出具有优异的析氢和析氧性能且稳定性良好的复合材料双功能电解水催化剂；再有，制备得到的成本低廉的电解水双功能电催化剂相比于商用的Pt/C和二氧化钌具有更优异的活性、稳定性，适于工业化应用，可实现资源和能源的充分利用。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
[0025]图1是本专利技术实施例的一种电解水双功能电催化剂的制备方法的流程示意图；
[0026]图2是本专利技术实施例中，黑磷的扫描电子显微镜(SEM)图；其中，图2中(a)为块体黑磷的示意图，图2中(b)为少层黑磷的示意图，图2中(c)为Fe1Co2MOF的示意图，图2中(d)为Fe1Co2MOF/BP的示意图；
[0027]图3是本专利技术实施例中，Fe1Co2MOF的透射电子显微镜(TEM)图；
[0028]图4是本专利技术实施例中，Fe1Co2MOF的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图；
[0029]图5是本专利技术实施例中，Fe1Co2MOF的元素分布示意图；其中，包括碳(C)元素，氧(O)元素，铁(Fe)元素，钴(Co)元素；
[0030]图6是本专利技术实施例中，Fe1Co2MOF/BP的透射电子显微镜(TEM)图；
[0031]图7是本专利技术实施例中，Fe1Co2MOF/BP的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图；
[0032]图8是本专利技术实施例中，Fe1Co2MOF/BP的元素分布示意图；其中，包括碳(C)元素，氧(O)元素，磷(P)元素，铁(Fe)元素，钴(Co)元素；
[0033]图9是本专利技术实施例中，复合材料Fe1Co2MOF/BP的性能数据示意图；其中，图9(a)为析氢性能数据示意图，图9中(b)为析氢性能相应塔菲尔曲线示意图，图9中(c)为析氢反应稳定性示意图，图9中(d)为稳定性前后析氢性能数据示意图，图9中(e)为阻抗示意图，图9中(f)为析氧性能数据示意图，图9中(g)为析氧性能相应塔菲尔曲线示意图，图9中(h)为析氧反应稳定性示意图，图9中(i)为稳定性前后析氧性能数据示意图。
具体实施方式
[0034]下面结合具体实施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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电解水双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将铁盐和钴盐加入预制备的分散有黑磷纳米片的N，N
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二甲基甲酰胺溶液中，常温搅拌均匀后，获得混合液；在混合液中加入对苯二甲酸，常温搅拌均匀后再依次加入水、乙醇和三乙胺，常温搅拌使金属离子与对苯二甲酸进行配位形成MOF框架，离心并乙醇洗涤，获得离心沉淀物；将所述离心沉淀物真空干燥，获得电解水双功能电催化剂。2.根据权利要求1所述的一种电解水双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述混合液中，铁离子与钴离子的摩尔比为1：(1～3)。3.根据权利要求1所述的一种电解水双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述铁盐为九水合硝酸铁或六水合三氯化铁。4.根据权利要求1所述的一种电解水双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述钴盐为六水合硝酸钴、六水合氯化钴或四水合乙酸钴。5.根据权利要求1所述的一种电解水双功能电催化剂的制备方法，其特征在于，所述预制备的分散有黑磷纳米片的N，N
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二甲基甲酰胺溶液的获取步骤包括：将四丁基四氟硼酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴正飞，翟文芳，陈亚，刘耀达，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：