[发明专利]一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途。所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂具有中空纳米纤维状结构，中空纳米纤维状结构的表面为粗糙的片层结构，同时还具有金属‑有机框架材料(MOF)结构。根据本发明的所述催化剂提供了更多的反应活性位点，管状催化剂提供了更稳定的结构基础，不易发生片层间的堆叠团聚，有利于更长时间的反应稳定性。因此具有优异的OER和ORR电催化活性，是一种极具潜力的过渡金属基双功能电催化剂。所述催化剂的制备方法操作简单，无需特殊的实验条件，成本低廉，更易于大规模工业化生产。

技术领域

本发明属于电化学及新能源的催化剂技术领域，具体而言，涉及一种镍钴氧化物纳米片管状催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

建立全球化的可持续发展的能源转换系统，保护我们赖以生存的环境，是当今人类面临的最重要的挑战之一。近年来，由化石燃料燃烧引起的能源供应和气候变化问题引起了人们的广泛关注。因此，为了减少人类社会生活对化石燃料的依赖，需要大力开发各种各样的可再生清洁能源(如太阳能、风能和水力发电等)来满足人类对能源的需求。

锌-空气电池因其拥有理想的能量密度和功率密度，并有望在能源转化与储存领域的广泛应用，引起国内外研究者的高度关注。其中，空气电极作为氧催化反应的核心区域，是整个锌-空气电池研究的重点。电化学氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)对于锌空气电池的性能起着至关重要的作用。目前，在碱性介质中贵金属Pt具有最高的ORR催化活性，Ir和Ru及其氧化物具有优异的OER催化活性，然而单一贵金属催化剂的高成本、稀缺性和无双功能催化活性严重制约了其商业化应用。

近年来，非贵金属双功能催化剂及其电极以其高活性、低成本以及种类丰富等特点逐渐成为新的催化剂候选者，开发与贵金属催化剂催化性能相当的非贵金属双功能催化剂显得尤为重要。

然而，现有的非贵金属双功能催化剂的结构缺陷受限于块状材料，反应活性位点少，影响电子迁移率；以及单一过渡金属材料导电性差，影响电催化反应活性的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，根据本发明的一个方面，本发明的一个目的在于提供一种超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂，所述催化剂包括镍钴氧化物，同时具有OER和ORR活性，可以作为一种新型双功能电催化剂。

所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂具有中空纳米纤维状结构，长度为1至10μm，中空直径为10nm至1μm，中空纳米纤维状结构的表面为粗糙的片层结构，所述片层结构长度1μm至10μm，片层厚度为1nm至50nm，同时所述催化剂的双金属镍钴氧化物还具有金属-有机框架材料(MOF)结构，其中金属镍和钴的摩尔比为1:20至1:0.05。

优选地，所述催化剂中金属镍和钴的摩尔比为1:2。

根据本发明的另一个方面，本发明的另一个目的在于提供所述超薄镍钴氧化物纳米片管状催化剂的制备方法，包括如下步骤：

1)钼酸铵溶解在强酸中，超声分散均匀后转移至反应釜中，160至240℃水热反应8至24小时后冷却至室温，经过水洗、醇洗、60℃烘干后得到白色MoO₃纳米纤维；

2)将对苯二甲酸(PTA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP-30)，NiCl₂·6H₂O和CoCl₂·6H₂O溶解在三者体积比为1:1:1的水、乙醇和二甲基甲酰胺(DMF)的混合液中，制备得到NiCo-MOF前驱体溶液；

3)将步骤1)中制备得到的MoO₃纳米纤维均匀分散在步骤2)的NiCo-MOF前驱体溶液中，120至180℃下水热反应4至12小时，反应结束后冷却至室温离心收集后，70℃真空烘干得到具有核壳结构的MoO₃@NiCo-MOF复合催化剂前体，其中MoO₃纳米纤维浓度为0.01～10mg/mL；