[发明专利]一种NiFe3

说明书

本发明公开了一种NiFe₃N/NF电化学催化剂及其制备方法与应用。该电化学催化剂通过热处理双金属MOF衍生得到，以K₄Fe(CN)₆为配体，配体中含有Fe，提供Fe源，通过络合剂配体和中心金属Ni结合，形成双金属MOF；在Ni基底上原位合成，既利用了Ni基底的导电性，也通过原位合成降低了MOF与Ni基底之间的电阻，一步合成双金属MOF，并利用了MOF的多孔性；同时，还利用碱金属盐包裹后对MOF进行热处理，维持了MOF的形貌。本发明的制备方法工艺简单，原料成本低廉，易于操作，而且重复性很高，制备的NiFe₃N/NF电化学催化剂用于电催化析氧反应。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种NiFe₃N/NF电化学催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

现在人类面临的两大生存挑战问题即能源与环境问题，随着化石燃料的大量开采与消耗，不仅造成化石燃料极其短缺，而且也带来了一系列的环境污染问题，因此人们对清洁、可再生能源的关注度越来越高，也掀起了对能源转换与储存方面的研究高潮。

氢能，因其高能量密度、高能量转换效率、对环境友好而被视作缓解未来能源紧张的理想能源。目前，工业上生产氢气的方法大概有以下三种：1、一次能源转化，比如煤、石油、天然气；2、其他含氢物质转换，比如工业生产的副产物转化制氢；3、电解水制氢。其中电解水制氢是工业上比较完善的制氢技术，并伴随着零碳排放。但是通过电解水大规模生产纯氢有一定的困难，因为需要的电势很高，远高于理论值1.23V，这样就会造成电能消耗比较大。

电解水体系分为析氢(HER)和析氧(OER)两个反应，阴极电解水析氢，阳极电解水析氧，其中氧析出反应是速率控制步骤，需要很高的能垒来实现O-H 键的断裂和O-O键的形成。因此我们需要寻求一种能提高OER活性的催化剂，降低过电势，从而降低能耗成本，实现电解水制氢的大规模生产。

用于电解水析氧反应催化活性最好的是贵金属氧化物，比如RuO₂和IrO₂(Electrochimica Acta,1986,31,1311)，这些贵金属催化剂催化产生的过电势很低，而且催化活性很高，特别是酸性条件下。但同时贵金属氧化物也存在缺点，如成本高，地壳含量稀少，这限制了它们的应用，使得电解水制氢不能大规模的生产。因此，人们把关注焦点转移到非贵金属催化剂。研究的比较多的有Fe、 Co、Ni、Mo、V等氢氧化物及其氧化物(Adv.Energy.Mater 2016,6,1600221)，并慢慢地扩展到非贵金属的磷化物(Angew.Chem.Int.Ed.2014,53, 14433–14437)、氮化物(Chem.Mater.2016,28,6934-6941)、硫化物(Adv.Funct. Mater.2016,26,4661-4672)等。非贵金属催化剂的优点在于地壳中的含量丰富，价格低廉，可以降低成本，在碱性电解液中的耐腐蚀性强。但这些非贵金属也有很大的缺陷，比如活性不好，稳定性不高。由于这些非贵金属有很大的应用前景，所以人们对其性能的改善研究也在不断的推进。

其中Ni基催化剂在碱性介质中有好的耐腐蚀性，价格相对便宜，析氧过电位不高，析氧效率较高。但是Ni基催化剂的电子传导性不好，所以为了提高其电子传导性，考虑从结构上改善。优化结构可以从几个方面着手：做成纳米结构、用碳材料固定纳米颗粒、防止颗粒团聚，或利用金属之间的协同效应做多金属催化剂。