[发明专利]一种片层限域结构镍铁基纳米复合电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种片层限域结构镍铁基纳米复合电催化剂及其制备方法和应用。本发明是采用镍铁水滑石(NiFe‑LDHs；Ni/Fe＝3:1)作为前驱体材料，在氢气氛下还原，制备得到限域结构金属合金/复合金属氢氧化物纳米复合材料Ni₃Fe/NiFe(OH)_x。该结构的还原转化是在水滑石原有片层基体的基础上，结构仍然保持片层状。将制备的样品作为电催化剂材料应用于乙醇氧化反应，限域型复合结构不同组分相之间的协同作用，以及片层材料的高的比表面积和活性位点，提高了电催化氧化乙醇的活性和稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，特别涉及一种片层限域结构镍铁基纳米复合电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

直接乙醇燃料电池(direct ethanol fuel cell，DEFC)中燃料乙醇能够从生物质原料中大量生产，无毒、沸点较高，且具有比甲醇更高的能量密度。另外，其燃料供应系统可与现有的加油站兼容，因此，DEFC在小型便携式电子设备和电动汽车等方面展示出美好的发展前景。目前，醇类燃料电池Pt或Pd基电催化剂存在着易于毒化、耐久性差、价格昂贵等难题，开发高性能DEFC用非贵金属催化剂材料称为人们研究的热点。镍和铁元素催化剂地壳储量丰富，且有着良好的电催化活性，这与过渡金属的电子结构有关，因为过渡金属存在d电子效应，因此在催化过程中能够提高催化的活性，降低反应的活化能。因此通过调节镍铁基催化剂的结构提高电催化能力有着重要的意义。

限域结构在催化过程中有着重要的应用，能够利用限域效应调节控制样品的结构，加强不同组分之间的协同效应以及界面效应，从而提高样品的催化能力。水滑石(LDHs)作为一种金属离子分散性高的纳米片层材料，为制备限域纳米复合结构提供了良好的前体。这是由于组成水滑石层板的阳离子以及层间阴离子都具有很高的可调控性，使得水滑石可以设计得到理想组分样品。且组成水滑石的不同离子之间有着较高的分散性，为以水滑石为载体制备复合结构催化剂提供了良好的条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种片层限域结构镍铁基纳米复合电催化剂及其制备方法和应用。

本发明通过双滴法制备NiFe-LDH前体，在氢气氛中一定温度下一步还原制备了具有片层限域的Ni₃Fe/NiFe(OH)_x纳米复合电催化剂。其应用在电催化氧化乙醇的反应中，能够有效提高电催化氧化反应的活性和稳定性，还可以应用于电催化析氧反应OER和氧气还原反应ORR反应等。

本发明所述的片层限域结构镍铁基纳米复合电催化剂是镍铁纳米合金颗粒均匀的分散在弱结晶的镍铁复合氢氧化物片层基体中，形成具有片层限域结构的镍铁基纳米复合电催化剂。

所述镍铁纳米合金颗粒尺寸为3-5nm。

所述镍铁复合氢氧化物片层基体尺寸为50-100nm。

本发明所述的片层限域结构镍铁基纳米复合电催化剂的制备方法：

(1)双滴法制备NiFe水滑石前体；

(2)将步骤(1)制备的NiFe水滑石前体在常压氢气氛中进行还原，还原温度为150-500℃，还原时间为5h，再在氮气氛中钝化2h，钝化完成后即得到片层限域结构镍铁纳米复合电催化剂。

步骤(1)的具体操作方法为：室温下，将镍盐和铁盐配制成混合盐溶液，与混合碱溶液共同滴加至合成体系中，控制滴加速率，使合成体系保持pH值＝10，然后90℃水热晶化24h，去离子水洗至中性，最后真空冷冻干燥获得镍铁水滑石前体。

所述的混合碱溶液为氢氧化钠和碳酸钠的混合水溶液。

所述的镍盐为硝酸镍，铁盐为硝酸铁，混合盐溶液中的镍离子和铁离子的摩尔比为3:1，混合盐溶液的滴加速率为30mL·h^-1。