一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂及其制备方法

本发明涉及新能源材料制备以及电催化，尤其涉及一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂及其制备方法。

背景技术：

1、当前，人类发展面临着严峻的能源危机与环境污染问题，氢能源由于其具有高能量密度和环境友好性，被认为是最有希望取代传统化石燃料的可持续能源之一。电解水制氢是一种简单有效的大规模清洁制氢技术，包括析氢反应和析氧反应两部分。然而，析氧反应动力学缓慢，反应动力学势垒较高，严重制约了电解水效率，因此迫切需要高效的电催化剂来促进这一反应过程以节约生产成本。目前，钌基和铱基是公认的性能最优的析氧反应电催化剂，但是贵金属的稀缺性和高成本限制了其更广泛的生产应用。廉价的过渡金属氧化物/氢氧化物材料由于地球储量丰富和析氧反应催化性能突出，被认为是最有希望取代贵金属基催化剂的替代品之一。镍铁层状双金属氢氧化物(nife ldh)具有优异的电催化析氧活性、低廉的生产成本以及长时间稳定性等优点，是一种良好的析氧反应电催化剂。

2、申请号为cn110773171a的中国专利文献公开了一种层状镍铁铜氢氧化物电催化材料的制备方法，该方法水热反应的温度设置在140～180℃；申请号为cn111068695a的中国专利文献公开了一种基于三元ldh衍生的多元金属磷掺杂电催化剂的制备方法，该方法水热反应需要在120～200℃下进行，以上两种方法在实际生产中会因为较高的水热反应温度大幅提高生产成本，同时不利于该材料的大规模工业生产和应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂及其制备方法，采用一步低温制备方法来制备高催化活性的镍铁双金属氢氧化物，降低电解水制氢成本，从而实现其大规模工业应用。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、称取镍盐和铁盐，加入超纯水，搅拌至充分溶解，得到镍铁盐溶液；

4、s2、称取三乙醇胺并量取氨水，加入镍铁盐溶液中，搅拌混合均匀，得到前驱体溶液；

5、s3、将前驱体溶液装入聚四氟乙烯的反应釜中，进行水热反应；

6、s4、水热反应结束后，自然冷却，离心收集反应产物，分别使用超纯水、乙醇洗涤，将样品烘干，得到镍铁层状双金属氢氧化物。

7、本申请使用三乙醇胺和氨水作为封端剂，来促进镍铁层状双金属氢氧化物nifeldh的制备。在镍盐和铁盐的混合溶液中，由于铁离子与三乙醇胺的络合物具有高溶解度和稳定性，因此铁离子会与加入溶液的三乙醇胺结合生成铁离子与三乙醇胺的络合物，从而防止铁离子析出形成氢氧化铁沉淀；与此同时，加入溶液中的氨水，可以调节溶液的酸碱性，提高溶液的碱性，碱性有利于反应进行，并且氨可以作为络合剂与镍离子相互络合。随着温度逐渐升高，铁离子与三乙醇胺的络合物分解生成氧化铁纳米颗粒，氨与镍离子络合物分解释放出镍离子，氧化铁纳米颗粒与吸附在其表面的镍离子发生反应，最终生成镍铁层状双金属氢氧化物nife ldh。

8、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中，所述镍铁盐溶液中，镍盐浓度为0.015～0.05mol/l，铁盐浓度为0.005～0.02mol/l。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s1中，所述镍盐包括氯化镍及其水合物、硝酸镍及其水合物或硫酸镍及其水合物中的一种或多种；所述铁盐为氯化铁及其水合物、硝酸铁及其水合物或硫酸铁及其水合物中的一种或多种。

10、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s3中，所述水热反应的温度为80～120℃，反应时间为6～24h。

11、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，所述氨水浓度为2～10wt％，所述氨水与步骤s1中所述超纯水的体积比为0.8～1.2:1。

12、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s2中，所述前驱体溶液中，三乙醇胺浓度为0.05～0.5mol/l。

13、在以上技术方案的基础上，优选的，步骤s4中，所述将样品烘干条件为：温度30～60℃，时间12～24h，真空度100～1000pa。

14、一种由上述制备方法制备的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂，呈现为纳米片状结构，所述纳米片状结构的厚度为1～6nm。

15、另一方面，本发明还提供了一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的应用：作为析氧反应电催化剂，催化碱性电解水制氧反应。

16、本发明的一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：

17、(1)本发明使用三乙醇胺和氨水作为封端剂，来促进镍铁层状双金属氢氧化物(nife ldh)的生成，三乙醇胺和氨水的加入可以提高溶液的碱性，并使铁离子络合来防止其形成氢氧化物沉淀，同时促进铁离子与镍离子结合，控制三乙醇胺和氨水的比例也可以实现对nife ldh产物的结晶性调节，最终在较低的水热温度下实现制备出高纯度、高结晶性以及高电催化性能的nife ldh，反应温度仅需80～120℃，低于传统水热反应所需要的160℃或者更高的温度，制备工艺简单高效，所需生产成本低，有利于实现大规模的工业应用；

18、(2)本发明所制备的nife ldh电催化剂拥有很好的电催化活性和很高的纯度，该电催化剂应用于作为析氧反应电催化剂，催化碱性电解水制氧反应，应用于1mol/l koh溶液中电解水，获得电流密度10ma cm–2时，析氧所需的过电势为240～270mv，塔菲尔斜率为40～80mv dec–1，优于目前报道的大多数阳极析氧催化材料。

技术特征：

1.一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述镍铁盐溶液中，镍盐浓度为0.015～0.05mol/l，铁盐浓度为0.005～0.02mol/l。

3.如权利要求1所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s1中，所述镍盐包括氯化镍及其水合物、硝酸镍及其水合物或硫酸镍及其水合物中的一种或多种；所述铁盐为氯化铁及其水合物、硝酸铁及其水合物或硫酸铁及其水合物中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s3中，所述水热反应的温度为80～120℃，反应时间为6～24h。

5.如权利要求1所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述氨水浓度为2～10wt％，所述氨水与步骤s1中所述超纯水的体积比为0.8～1.2:1。

6.如权利要求1所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述前驱体溶液中，三乙醇胺浓度为0.05～0.5mol/l。

7.如权利要求1所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤s4中，所述将样品烘干条件为：温度30～60℃，时间12～24h，真空度100～1000pa。

8.一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂，其特征在于：采用权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到，所述镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂呈现为纳米片状结构，所述纳米片状结构的厚度为1～6nm。

9.一种如权利要求8所述的镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂的应用，其特征在于：作为析氧反应电催化剂，催化碱性电解水制氧反应。

技术总结本发明提出了一种镍铁层状双金属氢氧化物电催化剂及其制备方法，涉及新能源材料制备以及电催化技术领域。制备方法包括以下步骤：称取镍盐和铁盐，加入超纯水，搅拌至充分溶解，得到镍铁盐溶液；称取三乙醇胺并量取氨水加入镍铁盐溶液中，搅拌混合均匀，得到前驱体溶液；将前驱体溶液装入聚四氟乙烯的反应釜中，进行水热反应；水热反应结束后，自然冷却，离心收集反应产物，分别使用超纯水、乙醇洗涤，将样品烘干，得到镍铁层状双金属氢氧化物；水热反应的温度为80～120℃，反应时间为6～24h。使用三乙醇胺和氨水作为封端剂，促进镍铁层状双金属氢氧化物的生成，反应温度仅需80～120℃，低于传统水热反应所需要的160℃或者更高的温度。技术研发人员：罗国强,冯浩然,郑颖秋,张睿智,张建,涂溶,沈强受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29