[发明专利]负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂及其制备方法、电解水制氢催化剂

说明书

本发明公开了一种负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂，所述木基电催化剂包括具有三维多孔结构的木炭骨架和负载于所述木炭骨架上的活性物质，所述活性物质包括以镍铁合金为底层、以镍铁氢氧化物为表层的镍铁氢氧化物/镍铁合金异质结。本发明还提供一种上述负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂的制备方法及电解水制氢催化剂。本发明的负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂具有催化效率高、稳定性好、工艺简单等优点。

技术领域

本发明属于催化剂领域，尤其涉及一种非贵金属电催化剂及其制备方法、电解水制氢催化剂。

背景技术

随着社会的高速发展，传统化石燃料资源日益枯竭。在人类能源需求越来越大、环境形势不容乐观的当下，发展绿色可再生能源迫在眉睫。相比于太阳能、风能等，氢能因发电稳定、燃烧热值高、无污染优点，具有广阔的应用前景。而电解水制取氢气因产率高、产物纯度高等优势被视为最有前景的制氢方式。

电解水制氢气包括HER和OER两个半反应，其中析氢反应是两电子反应，而析氧反应是一个四电子反应，需要更高的过电势来克服反应能垒，是电解水反应的决速步骤。贵金属氧化物(RuO₂、IrO₂)具有优异的OER催化表现，但地球储量稀少、价格昂贵等因素限制了其大规模应用，所以需要开发高效、经济的OER催化剂。当下，大量研究者将精力投入于地球储量丰富的过渡金属以开发廉价有效的OER催化剂，并制备了一系列催化活性能与贵金属氧化物媲美的OER催化剂。在上述过渡金属基催化剂的制备过程中，将活性物质同导电基底(石墨烯、炭纤维、碳纳米管等)复合是提升活性物质催化活性的常规手段，但简单复合仍存在活性物质分散不均匀、大量堆积等问题，且上述通用的导电基底来源于石油化工产物，不可再生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种催化效率高、稳定性好、工艺简单的负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂及其制备方法、电解水制氢催化剂。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂，所述木基电催化剂包括具有三维多孔结构的木炭骨架和负载于所述木炭骨架上的活性物质，所述活性物质包括以镍铁合金为底层、以镍铁氢氧化物为表层的镍铁氢氧化物/镍铁合金异质结。

本发明的木基电催化剂先在木材孔隙以及表面生成一层均匀的镍铁合金，再以镍铁合金为生长点生成镍铁氢氧化物，催化剂的电子结构直接影响到催化剂的本征活性，构建异质结构，由于其相互强电子作用，电子在界面上重新分布，得到最优的电子结构，降低反应活化能，从而加快反应进行，从而使复合催化剂具有更好的催化活性。

上述木基电催化剂中，优选的，所述木基电催化剂的比表面积为100-400m²/g，所述木基电催化剂中活性物质的尺寸为50-200nm，所述木基电催化剂中活性物质的负载率(质量负载率)为0.2-10％。本发明中催化剂的活性物质颗粒尺寸小，比表面积大，催化表现优异。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木片(为天然木材)置于镍铁金属盐溶液中进行浸渍处理，取出干燥得到负载镍铁离子的木片；

(2)将步骤(1)中得到的负载镍铁离子的木片惰性气氛(如氮气)下高温煅烧得到负载镍铁合金的木炭；

(3)将步骤(2)中得到的负载镍铁合金的木炭置于镍铁金属盐和尿素的混合溶液中进行水热处理，即得到负载镍铁氢氧化物/镍铁合金的木基电催化剂。