[发明专利]一种用于电解水析氧的MnCoFe三元催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明为一种用于电解水析氧的MnCoFe三元催化剂及其制备方法和应用。该催化剂为具有立方形和球形形貌的MnCoFe三元反尖晶石催化剂；催化剂的载体为碳材料或金属材料，活性物质为立方形MnCoFe三元反尖晶石纳米颗粒；制备方法选用碳材料或金属材料作为载体，油酸钠作为稳定剂，通过高温热裂解的方法来制备出MnCoFe三元催化剂，得到的催化剂具有反尖晶石结构。本发明仅通过调变油酸金属配合物中的Na⁺含量就能制备出不同形貌的MnCoFe三元纳米颗粒，得到立方形的Mn_0.5Co_0.5Fe₂O₄催化剂对电解水析氧反应表现出良好的活性。

技术领域

本发明涉及一种用于电解水析氧的MnCoFe三元催化剂的制备方法，以及采用该催化剂电解水析氧的方法。

背景技术

电催化水裂解技术是电力制氢系统中非常重要的环节，同时也是一种在可持续能源系统中发挥重要作用的技术。电解水反应分为两个半反应，阴极发生析氢反应(HER)和阳极发生析氧反应(OER)。析氧反应(OER)既是电催化还原二氧化碳系统的阳极反应，又可用于平衡太阳能燃料合成反应。但是由于阳极析氧反应(OER)涉及动力学较缓慢的四电子转移过程，使得太阳能或电能转化为可储存燃料的发展还有待深入研究，因此设计开发出高活性、高稳定性、低成本储量大的析氧催化剂尤为重要。

目前，贵金属催化剂如IrO₂、RuO₂被认为是性能最好的OER电催化剂，但这些贵金属催化剂的高成本和低储量极大地阻碍了其广泛应用。因此，开发具有优良OER活性的廉价金属催化剂已成为OER研究的迫切目标。目前研究表明，许多廉价、储量丰富的过渡金属催化剂可以在碱性电解质中展现优异的OER性能。其中，Mn、Co、Fe及其氧化物因其良好的OER活性被认为可替代贵金属催化剂。研究表明，在Fe基催化剂中加入Co可以提高OER活性，而Mn的加入可以提高催化剂的导电性。

因此设计发明一种MnCoFe三元过渡金属催化剂用于电解水析氧的方法极为重要，本发明涉及一种简单的合成方法，制备了球形与立方形的MnFeCo三元纳米颗粒。通过调整MnCoFe三元催化剂的形貌和元素比，使得最优比例的立方形Mn_0.5Co_0.5Fe₂O₄催化剂展现出良好的OER性能(电流密度为10mAcm^-2时，过电位为297mV)。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种用于电解水析氧的MnCoFe三元催化剂及其制备方法和应用。该方法选用碳材料或金属材料作为载体，油酸钠作为稳定剂，通过高温热裂解的方法来制备出MnCoFe三元催化剂，得到的催化剂具有反尖晶石结构。本发明仅通过调变油酸金属配合物中的Na⁺含量就能制备出不同形貌的MnCoFe三元纳米颗粒(少量Na⁺存在得到立方形MnCoFe三元纳米颗粒，无Na⁺存在得到球形MnCoFe三元纳米颗粒)，通过优化MnCuFe三元催化剂的元素比例，得到立方形的Mn_0.5Co_0.5Fe₂O₄催化剂对电解水析氧反应表现出良好的活性。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种用于电解水析氧的MnCoFe三元催化剂，该催化剂为具有立方形和球形形貌的MnCoFe三元反尖晶石催化剂；催化剂的载体为碳材料或金属材料，活性物质为立方形MnCoFe三元反尖晶石纳米颗粒；负载量为20％～60％；Mn：Co：Fe的摩尔比为0～1：0～1：1～3；

所述的碳材料为炭黑、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、乙炔黑或碳纳米管；金属材料为泡沫镍片、泡沫铜片；