[发明专利]一种非贵金属NiCoFe/NF电催化剂的制备方法及其氧气析出应用

说明书

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种非贵金属NiCoFe/NF电催化剂的制备方法及其氧气析出应用。该催化剂主要通过水热反应和室温条件下的金属阳离子交换反应两步制得，第一步是将Ni掺杂的Co‑MOF原位生长到泡沫镍上，作为下一步反应的前驱体；在第二步中，将所得NiCo/NF浸入到含有硫酸亚铁的水溶液中，烘干后即得NiCoFe/NF催化剂。用该方法制得的催化剂仅需252mV的过电势就可实现10mA/cm2的电流密度，同时具有优异的长期稳定性，与其他传统非贵金属催化剂相比具有更高的氧气析出活性。本发明制备方法简单，原料丰富易得，同时具备大规模生产的潜力。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种非贵金属NiCoFe/NF电催化剂的制备方法及其氧气析出应用。

背景技术

随着传统化石能源（石油、天然气、煤炭等）的消耗，能源短缺和环境污染问题越来越受到人们的重视。具有能量密度高、反应产物为水和环境友好等优点的氢气被认为是未来最理想的绿色能源方式之一，而电化学水解离为人们制取高纯氢气提供了一种十分简单高效的方法。然而，在整个电解水过程中，发生在阳极上的氧气析出反应（OER）是一个动力学缓慢的四电子转移过程，从而在很大程度上限制了制氢的效率。与此同时，具有最好电催化性能的贵金属催化剂（RuO₂、IrO₂等）由于储量稀少、价格昂贵等原因限制了其大规模的商业化应用。因此，开发一种低成本且具有高活性的新型非贵金属OER电催化剂成为人们迫切需要解决的研究课题。

近年来，价格低廉且储量丰富的过渡金属（Fe、Co、Ni等）材料引起了研究人员广泛的兴趣。研究表明，通过设计合理的制备方法和筛选合适的金属盐前驱体所制备出来的非贵金属电催化剂表现出可以媲美甚至优于RuO₂和IrO₂催化剂的OER催化性能。与单金属基材料相比，多金属基材料由于其更好的催化活性而受到更为广泛的关注。两种或多种金属配合物可以提供更为丰富的活性位点并提高材料的导电性，这对于催化性能的提高是十分有利的。此外，可以通过调节多种金属阳离子之间的比例来改变材料的金属原子价态和物理化学性能。在此背景下，开发一种制备方法简单、价格低廉且具有优异电催化性能的非贵金属OER催化剂就尤为重要。

本发明通过水热和室温条件下进行金属阳离子交换的方法成功制备了在碱性条件下具有优异催化活性和长期稳定性的非贵金属NiCoFe/NF电催化剂，该制备工艺简单，原料易得成本低，具备实际应用潜力。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的之一是提供一种非贵金属NiCoFe/NF电催化剂的制备方法，该制备方法过程简单、原料廉价易得，其电催化氧析出性能优于商业RuO₂催化剂，并可以大规模制备具备实际应用前景。

本发明的目的之二是提供该非贵金属NiCoFe/NF电催化剂的应用，即用于发生在电解水（碱性）反应中阳极上的氧气析出过程，其在电流密度为10mA/cm²时，相对于可逆氢电极的过电位仅为252mV，经过95小时的稳定性测试后电流密度无明显衰减，显示出在碱性条件下优异的氧析出性能。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

一种非贵金属NiCoFe/NF电催化剂的制备方法，包含以下步骤：

（1）首先将泡沫镍（3*2cm）进行预处理，具体为：将泡沫镍依次在1M盐酸、丙酮、无水乙醇和二次水中进行超声清洗，并将其置于真空干燥箱中60℃下烘干备用。

（2）取乙酸镍，乙酸钴和2-甲基咪唑溶于无水甲醇溶液中，超声分散均匀后转移至反应釜中进行水热反应，待反应结束并自然冷却到室温后将所得样品用甲醇和二次水冲洗干净，自然晾干后备用。

（3）取硫酸亚铁溶于二次水中，搅拌并使其全部溶解，然后将上述得到的样品浸入含铁溶液中，使其进行自发的金属阳离子置换反应，待反应结束用二次水冲洗干净，将所得样品置于真空干燥箱中烘干备用。