【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于催化剂材料，特别涉及一种金属核壳结构催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
1、能源是人类文明进步和发展的推动力。随着现代工业技术和社会经济的发展，人类社会对能源的需求与日俱增。随着传统化石能源的日渐枯竭和伴随化石能源燃烧产生的大气污染和温室效应，对全球的生态系统产生不利的影响。因此，寻找和发展新型的可再生绿色能源已经成为能源与材料领域重要的研究课题之一。
2、氢能由于具有能量密度高(～142.3mj/kg，约为普通汽油热值的3倍)、燃烧产物清洁无污染等优点，是未来有望替代传统化石能源的新型绿色能源。电化学分解水制氢，其作为氢气燃烧的逆反应，具有工艺流程简便、法拉第效率高、生产路径不产生温室气体、制得氢气纯度高等优点，是大规模制备高纯度氢气的有效途径之一。电解水制氢包括两个电极半反应，分别是在阴极还原水的析氢反应(hydrogen evolution reaction，her)和在阳极氧化水的析氧反应(oxygen evolution reaction，oer)，不论是在酸性条件还是碱性条件下，her反应都涉及两个质子耦合电子转移以及一个氢氢单键的形成，而oer反应则涉及四个质子耦合电子转移以及一个氧氧双键的形成，其反应动力学更为缓慢，其过电位远高于her反应，需要使用催化剂来降低过电位，提高反应速率，从而整体提高电解水反应的效率。
3、目前，贵金属氧化物如二氧化铱、二氧化钌等表现出良好的产氧活性，然而稀缺的储量和高昂的价格限制了其大规模的应用。此外，也有报道一些廉价的过渡金属氧化物作为oer
4、层状双羟基化合物(layered double hydroxides，ldhs)是一种由带正电荷的金属氢氧化物主板层与可交换的层间阴离子构成的二维层状化合物。过渡金属基层状双羟基化合物(transition metal-based layered double hydroxide，tm ldhs)是主板层中金属离子为过渡金属离子的ldhs。近年来，tm ldhs也被应用于oer反应的产氧过程，但其催化活性和在大电流密度下的长期稳定性仍难以满足工业制氢的需求。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术存在的至少一种问题，本专利技术提出一种金属核壳结构催化剂及其制备方法和应用。
2、为此，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术的第一方面提供一种金属核壳结构催化剂，包括过渡金属纳米颗粒和包覆在所述过渡金属纳米颗粒上的过渡金属盐纳米片；所述过渡金属纳米颗粒为核，所述过渡金属盐纳米片为壳。
4、优选地，所述过渡金属纳米颗粒中包含至少两种过渡金属。进一步优选地，所述过渡金属纳米颗粒包含ni和co。更进一步优选地，过渡金属纳米颗粒中ni和co的摩尔比为(4～1)：1。
5、优选地，所述过渡金属盐纳米片中包含至少一种过渡金属组成的盐。进一步优选地，过渡金属盐纳米片为fepox纳米片。所述fepox纳米片中，0＜x＜4。
6、优选地，金属核壳结构催化剂为nico@fepox。
7、优选地，所述过渡金属纳米颗粒的直径为10～60nm；所述过渡金属盐纳米片的厚度为1～6nm。
8、优选地，所述金属核壳结构催化剂含孪晶结构。
9、根据本专利技术实施例的金属核壳结构催化剂，至少具有以下有益效果：该金属核壳结构催化剂在同一电流密度下的过电位最低，塔菲尔斜率最小，电化学阻抗nyquist半圆直径最小，该金属核壳结构催化剂能有效提高其导电性能，增强电化学催化活性，可满足工业制氢催化需求。
10、本专利技术的第二方面提供根据本专利技术第一方面所述金属核壳结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：
11、1)将过渡金属盐混合溶解，通过水热法制得过渡金属基层状双羟基化合物；
12、2)在惰性气体保护下，通过酸-盐混合溶液对所述过渡金属基层状双羟基化合物进行层间阴离子交换的脱碳处理，制得氯离子插层的过渡金属基层状双羟基化合物；
13、3)在惰性气体保护下，通过碱性溶液对所述离子插层的过渡金属基层状双羟基化合物进行离子交换反应，制得活性插层的过渡金属基层状双羟基化合物；
14、4)将所述活性插层的过渡金属基层状双羟基化合物进行煅烧，得到所述金属核壳结构催化剂。
15、优选地，步骤1)中，所述水热法的水热反应温度为140～180℃，水热反应时间为24～60h。
16、优选地，步骤4)中，所述煅烧的过程中通入摩尔比为(1～2)：10的h2/n2混合气体，所述混合气体的流速为60～100ml/min。
17、优选地，步骤4)中，所述煅烧的煅烧温度为425～525℃，煅烧的时间为2.5～4.5h。
18、根据本专利技术实施例的金属核壳结构催化剂的制备方法，至少具有以下有益效果：
19、该金属核壳结构催化剂在高温煅烧过程中，具有较低层错能的面心立方nico合金出现滑移，产生应力，从而产生孪晶结构。
20、该金属核壳结构催化剂在同一电流密度下的过电位最低，说明其水分解需要克服的能垒最低，耗电量较少；其塔菲尔斜率最小，具有最快的oer反应动力学；其电化学阻抗的nyquist半圆直径显著降低，证明该金属核壳结构催化剂的电荷转移电阻降低，电子传导增强。
21、对该金属核壳结构催化剂在不同电流密度下保持不同时间进行的计时电位测试结果表明，没有明显的电位增加，说明其具有良好的稳定性。
22、本专利技术的第三方面提供了一种金属核壳结构电极，包括导电基底材料和涂布在所述导电基底表面的催化剂层，所述催化剂层的材料为本专利技术第一方面提出的任一种金属核壳结构催化剂。
23、优选地，所述导电基底材料选自泡沫镍、碳布中的至少一种。
24、本专利技术的第四方面提供一种三电极体系，所述三电极体系包括工作电极、参比电极、对电极和电解液；所述工作电极为本专利技术第三方面提供的电极。
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1.一种金属核壳结构催化剂，其特征在于，包括过渡金属纳米颗粒和包覆在所述过渡金属纳米颗粒上的过渡金属盐纳米片；所述过渡金属纳米颗粒为核，所述过渡金属盐纳米片为壳；
2.根据权利要求1所述的金属核壳结构催化剂，其特征在于，所述过渡金属纳米颗粒的直径为10～60nm；
3.根据权利要求1所述的金属核壳结构催化剂，其特征在于，所述过渡金属纳米颗粒中Ni和Co的摩尔比为(4～1)：1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的金属核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的金属核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述水热法的水热反应温度为140～180℃，水热反应时间为24～60h。
6.根据权利要求4所述的金属核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述煅烧的过程中通入摩尔比为(1～2)：10的H2/N2混合气体，所述混合气体的流速为60～100mL/min。
7.根据权利要求4所述的金属核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述煅烧的煅烧温度为425
8.一种电极，其特征在于，包括导电基底材料和涂布在所述导电基底表面的催化剂层，所述催化剂层的材料含权利要求1～3任一项所述的金属核壳结构催化剂。
9.根据权利要求8所述的电极，其特征在于，所述导电基底材料选自泡沫镍、碳布中的至少一种。
10.一种三电极体系，其特征在于，包括工作电极、参比电极、对电极和电解液；所述工作电极为权利要求8或9所述的电极。
...【技术特征摘要】
1.一种金属核壳结构催化剂，其特征在于，包括过渡金属纳米颗粒和包覆在所述过渡金属纳米颗粒上的过渡金属盐纳米片；所述过渡金属纳米颗粒为核，所述过渡金属盐纳米片为壳；
2.根据权利要求1所述的金属核壳结构催化剂，其特征在于，所述过渡金属纳米颗粒的直径为10～60nm；
3.根据权利要求1所述的金属核壳结构催化剂，其特征在于，所述过渡金属纳米颗粒中ni和co的摩尔比为(4～1)：1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的金属核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的金属核壳结构催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述水热法的水热反应温度为140～180℃，水热反应时间为24～60h。
6.根据权利要求4所述的金...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨世和，鞠敏，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：
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