[发明专利]一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及电化学材料领域，具体涉及一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法，所述电催化剂为羟基氧化铁纳米颗粒直径为5‑30纳米，负载于镍铁层状双氢氧化物纳米片表面。本发明解决现有技术中原料价格高、操作复杂、步骤繁多、催化活性不高和能源转化效率不高等问题。通过先合成了多层次结构的花状层状双氢氧化物，然后在其纳米片上负载了超细FeOOH纳米颗粒，形成了具有高活性的电催化材料。

技术领域

本发明涉及电化学材料领域，具体涉及一种负载型电解水析氧反应电催化剂及其制备方法。

背景技术

随着全球能源需求的不断攀升，传统化石能源已经无法满足巨大的能源缺口，同时化石燃料带来的环境问题也给全球可持续发展带来严峻挑战。通过电化学水分解技术来获得氢气，是一种绿色清洁且非常具有前景的能源转化与储存技术。然而，电化学水分解过程中阳极半反应-氧析出反应(OER)是动力学迟滞过程，具有较大的析氧过电位，影响了能源转换的效率。目前，氧化铱(IrO₂)和氧化钌(RuO₂)等贵金属基电催化剂具有较高的电化学活性以加速该过程，显著降低析氧过电位，但是昂贵的价格以及较低的储量限制了其大规模的实际应用。因此，研究廉价的电催化剂来代替贵金属基催化剂是一项非常具有前景的策略。近年来的研究结果表明，纳米尺度下，基于Fe,Co及Ni这三种铁系过渡金属元素的氧化物、氢氧化物、羟基氧化物、磷化物、硫化物及磷酸盐等在碱性条件下对OER表现出可与贵金属媲美的催化性能，尤其是Fe-Ni或Fe-Co层状双氢氧化物(LDH)是OER电催化性能优异的析氧电催化剂。

已有研究表明，氧析出反应中过渡金属化合物常常被氧化为羟基氧化物 MOOH(M＝Fe,Co,Ni),这些是真正的活性位点。但现有羟基氧化物析氧电催化剂活性低、稳定性差。

发明内容

有鉴于此，本发明目的是合成稳定存在的负载型羟基氧化物超细纳米颗粒将有望极大地增强其OER电催化性能，提高能源转化效率，为实现大规模电解水制氢提供重要材料支持。

本发明的技术方案如下：

一种负载型电解水析氧反应电催化剂，其为直径为5-30纳米的羟基氧化铁纳米颗粒，负载于镍铁层状双氢氧化物纳米片表面；且其中镍的元素百分比含量在 5％-20％，铁的元素百分比含量5％-10％。

所述镍铁层状双氢氧化物的层间阴离子为碳酸根和氟离子。

本发明所述负载型电解水析氧反应电催化剂制备步骤如下：先将镍盐、铁盐，尿素和氟化铵溶解于去离子水中，将得到的溶液在80℃-250℃下加热3小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥；将干燥后产物分散于去离子水中，再次加入氯化亚铁和尿素，将得到的混合液在80℃-250℃下加热3 小时以上，然后冷却至室温，将得到的产物清洗，随后进行干燥。

所述镍盐为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍；所述铁盐为水合氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁

本发明具有如下的优点与效果：本方法制备的电催化剂其特征在于，先合成了多层次结构的花状氢氧化物，然后在其纳米片上负载了超细FeOOH纳米颗粒，并且催化剂材料制备非常简单易行，适合大批量生产，与没有负载的催化剂相比较，能显著降低过电势,10mA cm^-2的电流密度下过电位仅需210mV,塔菲尔斜率为47mV dec^-1，具有非常高的电化学氧析出活性。同时，所制备的电催化剂在碱性电解液中具有优异的稳定性，在10mA cm^-2的电流密度下稳定超过20个小时。优异的性能来源于LDH载体与FeOOH颗粒的协同效应。该催化剂在电化学水分解制氢工业中有重要意义，降低氧析出半反应所需过电位，大大提高能源转换效率。

附图说明

图1示本发明实施例1和比较例1制备的电催化剂在10mV s^-1的扫描速率下在饱和的1M KOH溶液中记录线性扫描伏安法(LSV)获得极化曲线；