掺铁镍钼复合电极的制备方法及其在电催化氧化中的应用

本发明属于材料科学，具体涉及一种掺铁镍钼复合电极的制备方法及其在电催化氧化中的应用。

背景技术：

1、化石能源的巨大消耗和由此所带来的严重的环境和气候问题，促使当今世界的能源结构正从单一的化石能源向包括可再生能源、核能在内的多元化能源结构转变。一方面，利用可再生电能驱动电解水技术在生产清洁、可持续的氢源能源方面得到了广泛的研究关注。水电解过程涉及两个半反应，即析氢反应(her)和析氧反应(oer)，其中oer是水电解的动力学瓶颈，因为oer涉及复杂的多电子转移步骤，这也就导致其动力学缓慢，过电势较高，从而限制了电解水制氢的整体能效。因此，开发一种高性能且低成本的oer电催化剂以提高电解水制氢效率显得尤为重要。

2、目前，过渡金属基催化剂，如氢氧化物、氧化物、磷化物、硫化物及硒化物等，因其合成方法简易并且成本低廉的特性而备受关注。其中镍基催化剂因其优异的导电性、丰富的活性位点以及良好的稳定性而成为高效的oer催化剂。同时，在碱水电氧化条件下，金属镍基催化剂是热力学不稳定的，会经历动态的表面重构，能够形成活性物种氧化物或氢氧化物，且能够调节反应中间体的吸附、脱附能力，进一步优化催化剂的oer催化性能。但是，大多数已报道的oer催化剂的重构层厚度通常在10nm以内，即电氧化引发的重构通常是不完全的，只发生在过催化剂的近表面，导致形成核壳状结构，内壳部分不能参与oer过程。因此，经历深度重构的催化剂有望表现出比部分重构型催化剂更高的性能。钼基、钨基等氧化物及其衍生物易与镍形成复合氧化物，如钼酸镍、钨酸镍等，同时这类酸性氧化物在碱性介质中的选择性溶出将增加基底镍与反应液的接触，有望促进其深度重构。然而，该类材料的高结晶度可能延缓钼基氧化物的溶出，使其对于重构程度的促进效果并不理想。目前，如何在保证镍与酸性氧化物原子级融合的同时降低相应结构的结晶度，从而提升镍基催化剂重构程度及oer催化活性的研究还鲜有报道。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单、易行的掺铁镍钼复合电极的制备方法及其在电催化氧化中的应用，所制备的电极材料具有高效电催化析氧活性，且具有良好的循环稳定性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种掺铁镍钼复合电极的制备方法，通过水热合成在基底上原位生长镍铁钼复合氧化物，再将镍铁钼复合氧化物于氨气气氛中进行煅烧处理，得到催化电极；

4、所述催化电极的活性组分为铁掺杂的钼酸镍材料。

5、进一步的，所述掺铁镍钼复合电极的制备方法，具体包括如下步骤：

6、1)将可溶性铁盐与钼盐溶于水中，接着将预处理好的导电纯镍基底材料置于含铁盐、钼盐的溶液中，进行水热反应，反应结束后冷却至室温，然后进行洗涤、干燥；

7、2)将步骤1)中制备的电极材料于氨气气氛中进行煅烧处理，冷却到室温后得到掺铁镍钼复合电极。

8、作为一种可能的实施方式，进一步，所述导电纯镍基底选用镍板、泡沫镍、镍毡、镍片中的任意一种。

9、作为一种可能的实施方式，进一步，步骤1)中，导电纯镍基底材料在使用前，采用酸化处理方式对其进行除氧、除油、除杂预处理。

10、作为一种可能的实施方式，进一步，步骤1)中，可溶性铁盐选用硫酸铁、硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁中的任意一种；

11、可溶性钼盐选用钼酸、钼酸钠、钼酸钾、钼酸铵中的任意一种。

12、作为一种可能的实施方式，进一步，步骤1)中，所述铁盐与钼盐中铁、钼元素的摩尔比为0.5～3：1。

13、作为一种较优的实施方式，优选的，步骤1)中水热反应的温度为80～230℃，反应时间为10～30h。

14、作为一种较优的实施方式，优选的，步骤2)中电极材料的煅烧温度为200～500℃，煅烧时间为1～5h，升温速率控制在0.5～5℃/min。

15、本发明采用水热结合煅烧的方式制备了掺铁镍钼复合电极，可应用于电化学析氧反应。其中，通过水热反应可在镍基底上原位生长铁掺杂的钼酸镍预催化剂，进一步的氨气处理会使预催化剂中的晶格畸变，促进moo42-的选择性溶解，致使催化剂在oer过程中发生快速且深度的重构，从而暴露更多的活性位点，为电子的运输提供便利条件；同时，氨气处理可以调节ni和fe之间电子结构，优化协同作用，促进重构过程中活性物质ni(fe)ooh的生成，显著提升oer催化活性，并且表现出超过48h的良好稳定性。

16、上述制备方法制得的掺铁镍钼复合电极可作为电解水阳极析氧电极。具体的，掺铁镍钼复合电极可应用于碱性介质电解水制氢工艺中的阳极析氧反应中。

17、相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

18、1)本发明采用简单的水热结合煅烧的方法，制备了掺铁镍钼复合电极。该方法原料成本低，合成工艺简单，反应条件容易达到，制备得到的自支撑电催化材料结构稳定。

19、2)本发明的电催化剂原位生长在导电基底上，这使得材料可以直接当催化剂使用，无需涂覆在电极上，减少制备工序的同时可增加电极导电性和稳定性。

20、3)本发明所制备的电催化剂在碱性条件下具有优异的水氧化活性和稳定性，有利于其大规模商业化应用。

技术特征：

1.一种掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，通过水热合成在基底上原位生长镍铁钼复合氧化物，再将镍铁钼复合氧化物于氨气气氛中进行煅烧处理，得到催化电极；

2.根据权利要求1所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，所述导电纯镍基底选用镍板、泡沫镍、镍毡、镍片中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中，导电纯镍基底材料在使用前，采用酸化处理方式对其进行除氧、除油、除杂预处理。

5.根据权利要求2所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中，可溶性铁盐选用硫酸铁、硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁中的任意一种；

6.根据权利要求2所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述铁盐与钼盐中铁、钼元素的摩尔比为0.5～3：1。

7.根据权利要求2所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，步骤1)中水热反应的温度为80～230℃，反应时间为10～30h。

8.根据权利要求2所述的掺铁镍钼复合电极的制备方法，其特征在于，步骤2)中电极材料的煅烧温度为200～500℃，煅烧时间为1～5h，升温速率控制在0.5～5℃/min。

9.一种如权利要求1～8之一所述的制备方法制得的掺铁镍钼复合电极的应用，其特征在于，所述掺铁镍钼复合电极作为电解水阳极析氧电极。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述掺铁镍钼复合电极应用于碱性介质电解水制氢工艺中的阳极析氧反应中。

技术总结本发明公开了一种掺铁镍钼复合电极的制备方法及其在电催化氧化中的应用，本发明采用水热法结合气氛煅烧，可得到镍基底上原位生长自支撑的掺铁镍钼复合电极材料。该制备方法所需原料来源广泛、价格便宜、操作简单、清洁环保、易规模放大，可有效降低制备成本，避免环境污染和稀有金属的消耗；所制备的催化电极作为电解水阳极析氧电极，具有活性高、耐久性好的优点，极大降低了电解水制氢过程的整体过电位、提高该过程的整体电荷效率，具有良好的工业应用前景。技术研发人员：徐刚,陈诗杰,邓任之,王发楠受保护的技术使用者：福建师范大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8