[发明专利]一种合成钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂的方法和应用

说明书

本发明涉及一种合成钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂的方法和应用。本发明的目的是解决现有商用的析氢反应和析氧反应催化剂为贵金属，价格贵且稳定性差，工业应用受限和现有廉价镍铁催化剂合成工艺复杂、成本高、催化性能单一，严重制约其大规模合成和应用的问题。本发明通过简单的两锅水热法，首先对泡沫镍预处理，然后将预处理过的泡沫镍浸入镍铁盐溶液中，水热反应一段时间后取出，再浸入钴盐溶液水热反应后，取出干燥得到钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂。本发明合成方法简便、成本低，对设备要求低，可大规模生产，适合工业应用的需要。本发明可获得钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂。

技术领域

本发明涉及一种合成高效双功能电催化剂的方法和应用。

背景技术

近年来，随现代工业的发展能源问题和环境问题日益突出，开发利用可持续的清洁能源替代现有化石能源迫在眉睫。氢能由于燃烧热值高，无污染而成为科学家关注的焦点。相对于化石燃料制备氢气来说，电解水制氢技术原料来源广，产氢纯度高，可操作性强而被认为是最有前途的获取氢能的方法。但是，由于电解水制氢技术涉及析氢反应和析氧反应两个过程，这两个过程均需催化剂使电解反应经济节能。工业上析氢反应(HER)采用贵金属Pt作催化剂，析氧反应(OER)依赖贵金属铱、钌氧化物，但因这些贵金属地壳储量稀少，成本高，严重限制了其大规模的应用。目前，廉价电催化剂的研究已取得一定进展。文献报道的廉价电催化剂主要是利用过渡金属材料镍(Ni)、铁(Fe)、钴(Co)、钼(Mo)等和非金属材料碳(C)、氮(N)、磷(P)、硫(S)等合成。如申请号为201810379389.3的专利公开了一种通过机械合金化法制备的析氧反应电催化剂非晶合金FeMnCoNiP，制备过程复杂，周期长，仅仅球磨就需要50-60小时,催化活性与文献报道的相比没有显著优势，在1mol·L^-1的KOH溶液中电流密度为10mA·cm^-2时其所需析氧过电位高达350mV左右，且催化性能单一，仅可用于碱性环境中催化电解水的析氧反应。申请号为201810889791.6的专利公开的镍铁纳米片阵列电催化剂也存在催化性能单一的问题。考虑到大规模电解水制氢过程中采用不同的析氢反应和析氧反应电催化剂，会造成生产成本增高，操作不便的问题，因此研发高效廉价双功能电催化剂势在必行。

发明内容

本发明的目的是解决现有商用的析氢反应和析氧反应催化剂为贵金属，资源稀缺、价格贵，工业应用受限和现有廉价镍铁催化剂合成工艺复杂、成本高、催化性能单一，严重制约其大规模合成和应用的问题，提供一种合成钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂的方法和应用。

一种合成钴掺杂镍铁网状纳米片阵列高效双功能电催化剂的方法和应用是按以下步骤完成的：

(1)泡沫镍的预处理：

将商业泡沫镍浸入到0.5～2M稀盐酸中超声10min～20min，取出后先用无水乙醇超声清洗10～15min，再用去离子水冲洗3～5次，得到去除杂质的泡沫镍；

(2)配制镍铁盐溶液A：

将铁盐、镍盐和尿素溶解到去离子水中，磁力搅拌5～15min，得到镍铁盐溶液A；

(3)配制钴盐溶液B：

将钴盐和尿素溶解到去离子水中，磁力搅拌5～15min，得到钴盐溶液B；

(4)一次水热反应：

将镍铁盐溶液A倒入不锈钢高压反应釜的聚四氟乙烯内衬中，接着将处理的泡沫镍浸入镍铁盐溶液A中，然后封闭高压反应釜，并将其移入电烘箱中加热8～10小时后，冷却到室温，取出后用去离子水冲洗3～5次，得到镍铁网状纳米片阵列；

(5)二次水热反应：