[发明专利]一种用于电解水的双金属纳米粒子及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于电解水的双金属纳米粒子及其制备方法，属于电催化纳米材料领域。本发明的技术要点为：1)将FeCo双金属有机框架化合物与盐酸多巴胺加入碱性溶液中，搅拌24h，固液分离，得到MOF/PDA纳米立方块，所述碱性溶液为pH为8.0的三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液；2)将步骤1)制得的MOF/PDA纳米立方块在不同温度的氨气气氛下退火处理；3)将2)中所得固体样品在氮气气氛下进一步高温碳化，即得。采用本发明的用于电解水的FeCo双金属纳米粒子具有比表面积大，导电性高，稳定性佳和催化活性好等特点，是一种极具应用前景的析氢、析氧双功能全解水催化剂。

技术领域

本发明涉及一种用于电解水的双金属纳米粒子及其制备方法，属于电催化纳米材料领域。

背景技术

化石燃料的枯竭和环境污染是21世纪人类社会面临的两个主要挑战。电解水产氢和产氧被认为是最有效地获取清洁和可再生能源的有效策略之一。电化学全水分解包括阳极析氧反应(OER)和阴极析氢反应(HER)，两者都需要高活性催化剂来降低水分解过程中消耗的电能。而商业化的贵金属RuO₂与Pt/C是目前公认的最有效的OER和HER催化剂。但因其原料稀少、成本高昂，很难应用于大规模的工业化电解水产氢。

近年来，金属-有机骨架(M-MOF)因其高表面积，大孔隙率，易于接近的活性位点等特点已经得到了广泛关注，并已普遍应用于分子分离，气体存储，催化和化学传感等领域。它通过共价配位键桥接无机金属离子和有机配体，其中无机金属离子可以看作是构成网络框架的节点，使用较为普遍的金属离子是低价态的过渡金属。除此之外，还包括一些碱金属、稀土金属、以及高价态过渡金属。但是，大多数种类的M-MOF导电性能都不佳，并且其在电化学全解分水过程中表现出的催化性能总是不尽人意。

为解决上述问题，本发明设计了一种碳包覆的三维立方结构的FeCo-MOF/NC纳米粒子，能显著提高其表面积、导电性、稳定性和电化学催化活性。将其应用于析氢、析氧及全解水反应中均表现出优异的性能。

发明内容

针对现有贵金属基电解水催化剂成本高昂，原料储备稀少等问题，本发明提供了一种过渡金属基双功能电解水催化剂的制备方法。

本发明还提供了一种上述操作简单、低成本的碳包覆方法，可以解决过渡金属基催化剂导电性性差、稳定性不佳等问题。

本发明还提供了一种最优的氮气高温碳化温度，能使氨蚀过的立方体纳米粒子仍保持完整的三维立方体结构。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于电解水的双金属纳米粒子及其制备方法，包括如下步骤：

1)将FeCo双金属有机框架化合物和盐酸多巴胺加入碱性溶液中，搅拌24h，固液分离，得到FeCo-MOF/PDA纳米立方块；所述碱性溶液为三羟甲基氨基甲烷(Tris)缓冲溶液；

2)将步骤1)制得的FeCo-MOF/PDA纳米立方块在不同温度的氨气气氛下退火处理；

3)将步骤2)得到的固体产物在氮气气氛下进一步高温碳化，即得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明采用非贵金属基催化剂，原材料储量丰富，成本较低，适合于大规模产业化生产。

2)利用碳包覆和氨气退火处理的FeCo-MOFs材料的导电性和稳定性显著提高。

3)本发明制备的碳包覆的FeCo双金属纳米粒子，在10mA cm^-2的电流密度下，析氢反应过电位为136mV，析氧反过电位为270mV，全解水电压仅需要1.66V。

附图说明

图1为本发明实施例2的FeCo-NPs/NC-600的SEM扫描图像；