[发明专利]多碳杂化的NiFe基高效碱性水氧化催化剂

说明书

本发明公开了一种多碳杂化的NiFe基催化剂的制备与应用，以碳纤维纸负载的碳纳米管为载体，以过渡金属Ni、Fe为金属盐，葡萄糖为碳源，通过溶剂热的合成方法制得NiFeO_x‑C/CNTs/CFP复合催化剂。本发明根据界面调控的策略实现催化剂和电解液界面、催化剂和载体界面以及催化剂颗粒之间界面的优化，在碳纤维纸负载的碳纳米管上制备了分散均匀、结构稳定的纳米复合催化剂。三维支撑结构提供了大量的表面活性位点，同时有利于电解液的传质和气体扩散，实现了催化剂电子结构和扩散过程的双重控制。研究表明，本发明公开的NiFeO_x‑C/CNTs/CFP是一个高效碱性产氧催化剂。

技术领域

本发明属于催化材料技术领域，具体涉及一种原位合成多碳杂化的NiFe基高效碱性水氧化催化剂。

背景技术

随着经济几十年的高速发展，我国已经成为世界第一大能源消耗国。而我国的能源结构以化石能源为主，其中以煤炭的消耗量所占比重最大，给环境保护带来了很大的压力。为了缓解能源危机，科研工作者致力于将可再生能源转化为化学能，其中的一个重要方向是利用半导体与电催化剂耦合将太阳能应用于水分解来制备氢气和氧气。然而，水分子的氧化反应是一个复杂的过程，该反应需要发生四个电子的转移，涉及到多个化学键的重新排布才能形成最终的O-O键。该反应在pH为0条件下的理论电位为1.23V(以标准氢电极为参比电极)，这个半反应已经成为人工光合作用制造太阳能燃料的瓶颈之一。通过在吸光半导体表面担载水氧化催化剂组分，可以加速光(电)催化分解水的速率。因此开发高效、稳定、廉价的电催化水制氧的催化剂，从而降低过电势，进而提高能源利用效率，具有重要的现实意义。

IrO₂和RuO₂是OER反应中的优良电催化剂，但是它们的稀缺性和高成本促使研究人员转向非贵重材料，例如金属氧化物(或氢氧化物)，硫族化物，磷化物，氮化物和其他非金属材料。在非贵金属成分中，NiFe基材料在碱性介质中具有较高的电催化活性，但是仍然存在导电性差和稳定性不足的技术问题。通常使用几种策略来改善NiFe基催化剂的水分解活性：(i)通过用纳米结构催化剂加载不同尺寸的基材来暴露更多的活性位点。(ii)通过用适当的方法调节催化剂的分布来提高催化剂的固有活性。但是上述策略存在催化剂合成困难，电极制备工艺复杂的不足，难以大规模复制和使用。

发明内容

针对以上技术问题，本发明着重于利用碳材料对催化剂的电子结构进行调控，主要从三个方面进行设计：(1)采用原位合成的方法制备碳纤维纸负载的碳纳米管作为载体来改善碳材料的表面性质；(2)采用原位合成的方法制备NiFe纳米复合物作为电极材料；(3)采用碳掺杂的方法改进金属颗粒间的电荷传输。采用多重碳复合的策略制备了CNTs/CFP负载的NiFeO_x-C电催化剂。这种催化剂表现出优于其他NiFe基复合材料的活性和稳定性，三维的载体结构提高了电解液的传质和气体扩散，降低了界面阻力，同时碳掺杂增强了催化剂和载体之间的界面效应以及电荷传递。该材料在电解水领域具有很好的发展前景。

本发明提供的原位合成多碳杂化的NiFe基高效碱性水氧化催化剂，能够实现在低过电位条件下的水氧化反应。本发明实现了碳纳米管表面进行纳米复合材料的合成制备，具有典型的高分散特征。得益于多重界面效应的协同作用，催化剂的活性和稳定性大大提高。同时该催化剂的制备简单，可应用于其他催化剂的合成过程。

本发明的技术方案：以碳纤维纸负载的碳纳米管为载体，以硝酸镍、硝酸铁为金属源，以葡萄糖为碳源，采用溶剂热的方法原位合成含有NiFeO_x-C复合材料的水氧化电催化剂NiFeO_x-C/CNTs/CFP。其合成路线如图26所示。

所述金属盐为Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O。

所述制备方法具体包括以下步骤：