一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂及制备方法

本发明涉及电解水催化，具体涉及一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂及制备方法。

背景技术：

1、电解水包含两个半电池反应，分别是阴极的析氢反应(hydrogen evolutionreaction，her)及阳极的析氧反应(oxygen evolution reaction，oer)。电水解制氢反应过程中，阴极侧的水还原产生氢气，阳极侧的水发生氧化反应产生氧气，阳极的析氧反应是多步的四电子过程。由于her和oer动力学反应缓慢，需要相当大的过电位来维系反应，进而造就了高昂的电费成本，使得电解水技术无法广泛应用。因此开发高效、稳定、析氢的电催化剂对于电解水制氢的推广具有十分重大的意义。

2、众所周知，贵金属因其高催化活性而被认为是her或oer中最先进的催化剂，然而，由于资源稀缺且成本高昂，这些催化剂在电化学分解水的工业应用中受到限制，所以人们考虑用非贵金属代替贵金属应用到电催化中，但效果尽不如人意。在贵金属中钌具有与铂相似电子特性，且成本仅为铂的五分之一，为电催化反应效率提升提供了独特的解决方案，在此背景下，为了减少贵金属的使用已经开发了众多催化剂，如纳米笼或纳米框架，极大的扩大了催化剂的表面积，增多了活性中心，但是存在着原料浪费、反应过程比较复杂，无法精确定量控制等缺点。

3、因此，如何如何采取有效的策略对镍铁氧化物/镍氧化物材料进行改性。在节省成本的同时使该催化剂兼具钌基材料高催化性能的优势，以提升材料的电催化活性是现阶段研究中存在的一个难题。

技术实现思路

1、有鉴于此，一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂及制备方法，以解决现有电解水成本较高，不适宜大规模推广的问题。

2、需要说明的是，通过该方法使ru成功掺杂到nife2o4/nio中，有效调控金属位点的电子结构，优化材料的导电性，丰富可利用活性位点数目；且ru的加入在微观上影响材料形貌，使其与电解质具有更大的接触面积，加快传质过程，有效提高电催化活性。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂及制备方法，包括以下步骤：

5、(1)对载体进行预处理，去除表面氧化物及油污；

6、(2)将硫酸亚铁七水合物，硝酸镍六水合物，尿素，氟化铵溶解在去离子水中，磁力搅拌至充分混合，得到初始混合溶液；

7、(3)将经过预处理的载体和所述初始混合溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中反应，经洗涤，真空干燥，得到镍铁双金属氢氧化物纳米片前驱体；

8、(4)将步骤(3)所得到的镍铁双金属氢氧化物纳米片前驱体浸泡在三氯化钌溶液中进行反应，将所述反应产物洗涤，真空干燥，即可得贵金属钌掺杂镍铁双金属氢氧化物纳米片前驱体；

9、(5)将步骤(4)所得到贵金属钌掺杂镍铁双金属氢氧化物纳米片前驱体置入马弗炉中加热反应，得到反应物；

10、(6)将所述反应产物洗涤，真空干燥，即可得贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂。

11、优选的，步骤(1)中所述的预处理方式为：将2cm×4cm的泡沫镍依次使用盐酸，去离子水和乙醇分别超声清洗15分钟，然后在60℃的真空干燥箱中干燥6～8h。

12、优选的，步骤(2)中所述的硫酸亚铁七水合物、硝酸镍六水合物、尿素、氟化铵摩尔质量分别为(0.5～1.5mmol)、(1.5～2.5mmol)、(12～20mmol)、(10～15mmol)，去离子水为(30～40ml)。

13、优选的，步骤(3)中所述的反应温度为100～150℃，反应时间为10～15h。

14、优选的，步骤(4)中所述的三氯化钌的含量为0.005～0.015mmol，所述的浸泡时间为1～6h。

15、优选的，步骤(5)所述的反应以10～15℃/min的速率加热至400℃，并在空气中保存2～3h。

16、优选的，步骤(3)、步骤(4)及步骤(6)中所述的洗涤为依次使用去离子水，乙醇清洗3～5次；所述的真空干燥为在60℃的真空环境下干燥6～8h。

17、此外，本发明一目的在于提供一种如上述所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂在电解水催化领域的应用。

18、所述电催化装置包括阳极电极片、阴极电极片和电解液；其中，所述阴极电极片为贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂，所述阳极电极片为镍铁双金属氢氧化物纳米片前驱体，电解液为1m koh溶液；且所述电极片的大小为1～2cm×1～2cm。

19、与现有技术相比，本发明公开的一种金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物异质结构纳米片电解水催化剂及其制备方法，具有如下有益效果：

20、(1)本发明通过简单的水热法、湿化学法和热处理化学法合成，制备方法简单，能耗低，适合工业化生产。

21、(2)本发明可通过调节贵金属钌的掺杂量有效调控镍铁氧化物/镍氧化物的电子结构，从而优化材料的催化活性，极大地降低电解水所需的能耗。

技术特征：

1.一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂，其特征在于，包括载体和负载在载体上的钌(ru)掺杂镍铁氧化物/镍氧化物，所述贵金属钌掺杂的镍铁氧化物/镍氧化物异质结构纳米片中ru元素含量为1.3％～3.3％。

2.根据权利要求1所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂，其特征在于，所述载体为泡沫镍，所述镍铁氧化物/镍氧化物为nife2o4/nio。

3.根据权利要求1所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂，其特征在于，所述贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂微观形貌为玫瑰状介孔异质结构，所述玫瑰状结构由自组装的超薄纳米片“花瓣”组成，纳米片厚度在3～15nm范围内，且表面均匀分布着许多平均直径为4nm的介孔。

4.一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂及制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的预处理方式为：将2cm×4cm的泡沫镍依次使用盐酸，去离子水和乙醇分别超声清洗15分钟，然后在60℃的真空干燥箱中干燥6～8h。

6.根据权利要求4所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，硫酸亚铁七水合物、硝酸镍六水合物、尿素、氟化铵摩尔质量分别为(0.5～1.5mmol)、(1.5～2.5mmol)、(12～20mmol)、(10～15mmol)，去离子水为(30～40ml)。

7.根据权利要求4所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的反应温度为100～150℃，反应时间为10～15h。

8.根据权利要求4所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的三氯化钌溶液的浓度为0.5～2.5mg/ml，所述的浸泡时间为1～6h。

9.根据权利要求4所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(5)所得到贵金属钌掺杂镍铁双金属氢氧化物纳米片前驱体置入马弗炉中加热，以10～15℃/min的速率加热至400℃，并在空气中保存2～3h。

10.根据权利要求4所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)、步骤(4)及步骤(6)中所述的洗涤为依次使用去离子水，乙醇清洗3～5次；所述的真空干燥为在60℃的真空环境下干燥6～8h。

11.一种权利要求1所述或如权利要求4～10所述的贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂在电解水析氢反应中作为工作电极的应用。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述电解水装置包括工作电极、参比电极、对电极和电解液；其中，所述工作电极为贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂，所述参比电极为hg/hgo电极，对电极为碳棒，电解液为koh溶液；且所述工作电极的大小为1～2cm×1～2cm。

技术总结本发明涉及电解水催化技术领域，具体涉及一种贵金属钌掺杂镍铁氧化物/镍氧化物纳米片电解水催化剂及制备方法。本发明通过三步化学反应得到的纳米片催化剂Ru‑NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;/NiO/NF具有玫瑰状介孔异质结构，这种独特结构不仅可以提供更大的电化学表面积，暴露更多的活性位点，还可以防止催化剂的结构变形，从而提高催化剂的HER性能和稳定性。低含量钌的加入有效调控镍铁的电子结构，并优化催化剂的氢吸附能、d带中心及水吸附能，进一步提升材料的电催化活性。此外，本发明克服了传统电催化剂价格昂贵，能耗高的缺点，仅需1.513V的驱动电压便可达到10mA·cm<supgt;‑2</supgt;的电流密度，在电解水制氢方面具有良好的应用前景。技术研发人员：黄志辉,张华明,黄志寒受保护的技术使用者：南昌航空大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11