[发明专利]非晶态铁掺杂磷酸镍-碳复合纳米球的制备方法及应用于电极催化剂

说明书

本发明属于复合材料技术领域，涉及一种非晶态铁掺杂磷酸镍‑碳复合纳米球的制备方法，包括：将表面活性剂溶解于去离子水中，加入二价镍离子、植酸溶液和碱性缓释剂成混合溶液，70～90℃搅拌回流1～3 h后形成植酸镍纳米球前驱体；将前驱体用水和乙醇等体积混合溶剂离心洗净，分散在极性溶剂中形成20～30 mg/mL的悬浮液；使用同种极性溶剂配制三价铁源溶液，将悬浮液快速倒入三价铁源溶液中，搅拌均匀后，用同种极性溶剂离心洗净、干燥、研磨，在保护气氛中500～650℃保持1～3 h，即得。本发明反应条件温和、重复性好、原料丰富；制备的材料形貌均匀、结构稳定、比表面积大、导电性好、电催化氧析出活性位点多，具有很高的电催化OER性能。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，涉及电催化剂的制备，具体涉及一种非晶态铁掺杂磷酸镍-碳复合纳米球的制备方法及应用于电极催化剂。

背景技术

氧析出反应（OER）是可充放金属-空气电池和电解水制氢技术领域的重要反应过程。然而，由于OER受到4电子缓慢动力学限制，会在电极上产生很大的过电位，进而导致较低的能量转换效率和较差的循环稳定性。对于可充放金属-空气电池和电解水制氢技术领域而言，目前共同的研究热点在于开发高效、稳定的非贵金属OER电催化剂上。最近的研究表明非晶态的过渡金属化合物在电催化OER过程中更容易发生结构和活性位点重构，从而表现出比晶态化合物更高的OER电催化性能，受到了广泛关注(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 3773.; Matter. 2020, 3, 2124.; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 15772.; Adv. Mater. 2020, 32, 2001136.)。

然而，过渡金属化合物导电性较差，一般需要通过非原位方法将其负载或者生长在石墨烯（ ACS Nano 2018,12,6,5297-5305,.）、碳纳米管（Angew. Chem. Int. Ed.,2019,58,4923.）、碳布（Adv. Sci. 2018, 5, 1800760）、泡沫镍（Advanced Science,2018, 5,1800949.）等高导电性材料或骨架上，通过提高导电性来进一步促进材料的电催化OER性能。然而，使用额外的导电基体不仅让材料制备步骤变得复杂，也会增加制备成本。原位碳化法是制备过渡金属化合物-碳基复合材料的重要手段，但是通原位方法制备非晶态过渡金属化合物-碳基复合材料仍然面临很大的挑战，主要因为绝大多数非晶态过渡金属化合物的热稳定性较差，只能在较低温度下稳定存在，而碳基材料又需要在较高温度下进行碳化来提高导电性。

过渡金属磷酸盐由于具有热稳定性好、催化活性高、原料丰富、价格低廉等优点而成为碱性电解质中OER电催化剂的研究热点（Nat. Commun. 2019, 10, 5195.; Adv. Sci. 2020, 7, 1902830.;Small 2020, 16, 1906766.）。可以作为原位制备碳基复合OER电催化剂的理想材料。此外，在实际应用中，零维纳米球形结构不仅可以提高材料比表面积和暴露更多的活性位点，还能以密堆积的形式在电极表面形成更均匀的涂层，有利于电极反应的进行。

目前，通过原位退火方法制备形貌均匀的非晶态金属磷酸盐-碳基复合纳米球材料的报道还未见报道。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是通过低温液相回流法，在表面活性剂的作用下得到了尺寸均匀的单分散植酸镍纳米球，并以此为前驱体，利用植酸根与三价铁离子络合能力更强的特点，在植酸镍纳米球表面快速引入铁掺杂，再通过退火处理得到非晶态铁掺杂磷酸镍-碳基复合纳米球材料。

技术方案如下：