[发明专利]铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料、其制备方法及应用。所述制备方法包括：使主要由氟化氢、氢氧化物、钴盐、亚铁盐、水组成的液相反应体系在氮气保护下反应，获得铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料。本发明还公开了所述电催化材料作为析氧电催化剂于电解水制氢中的应用。本发明所述电催化材料的制备工艺简单，原料廉价易得，且所述电催化材料在1.0mol/LKOH溶液中的析氧过电位低于相同条件下铱贵金属电极的析氧过电位，析氧电催化性能和电催化稳定性均非常优异，有望在光伏、风电和水电制氢中规模化应用。

技术领域

本发明涉及一种电催化析氧材料，特别涉及一种以钴离子作为配位中心离子，氟离子作为作为配体的铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料的制备方法，以及其在电解水制氢中电催化析氧方面的应用，属于可再生能源材料技术领域。

背景技术

太阳能光伏电解水制氢、风能电解水制氢或水利发电制氢，是获得清洁氢能的重要方法。贵金属钌与铱及其氧化物是公认的性能优异的析氧电催化剂。公开号为CN112853391A的文献公开了一种氧化钌负载双金属氢氧化物制备方法和电催化析氧中的应用，公开号为CN112760677A的文献公开了一种铱钨合金纳米材料及其制备方法和作为酸性析氧反应催化剂的应用.但是贵金属价格昂贵、储量有限，这限制了贵金属(铱和钌)基电催化剂的大规模应用。研究廉价高效的非贵金属催化剂是实现低成本电解水制氢的关键，也是利用可再生能源制氢的有效途径。

电解水的完整反应涉及2电子转移的阴极析氢反应和4电子转移的阳极析氧反应。

2H⁺+2e＝H₂阴极2电子转移反应

4OH^--4e＝H₂O+O₂阳极4电子转移反应

只有整个反应的能耗降下来，才能真正提高电解水的电流效率，实现低能耗、高效率制氢。从反应机理看，4电子转移反应比2电子转移反应的机理更加复杂，其反应电阻或反应能垒也大得多。因此，降低4电子析氧反应的反应能垒是电解水制氢反应中降低能耗的关键。

尽管已经有一些过渡金属氧化物或氢氧化物作为析氧电催化材料，但是，它们的析氧过电位仍然很大，不能满足实际应用的要求。尤其是，析氧产生的过量氢离子会对过渡金属氧化物或氢氧化物电极产生局部的溶解作用，从而影响其电解效率和使用寿命。

发明内容

为了克服现有电解水析氧电催化剂的不足，降低能耗，提高电流效率，本发明的目的在于设计一种新型的铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料、其制备方法及电解水制氢方面的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例中提供了一种铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料的制备方法，其包括：使主要由氟化氢、氢氧化物、钴盐、亚铁盐、水组成的均匀水相混合反应体系于-2～99℃在氮气保护下反应0.5～2h，获得铁掺杂三氟合钴酸盐析氧电催化材料，其化学式表示为MCo_(1-x)Fe_xF₃，M表示电荷平衡离子，0＜x＜1。

在一些实施例中，所述制备方法具体包括：

向氟化氢、氢氧化物的混合溶液中加入电解质，并控制混合溶液的温度在-2℃以下；

将钴盐、亚铁盐混合研磨后直接加入所述混合溶液中，超声振荡，之后升温至85～99℃继续反应0.5～2h，获得铁掺杂三氟合钴酸物析氧电催化材料。

在一些实施例中，所述亚铁盐与钴盐的摩尔比为y：1，其中，y＞0，优选为0＜y＜1。