一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法及其应用

本发明涉及高效、长稳定性三元催化剂制备及原位自稳定机制，具体为一种高效、长稳定性的ni、fe、cr三元组分精准可控的电催化水分解析氧催化剂的制备和原位稳定方法及其应用。

背景技术：

1、当前世界各国正面临着环境问题和能源问题，一方面，化石能源的广泛使用引发了一系列环境问题，例如二氧化碳大量排放导致的温室效应等，另一方面，化石能源属于不可再生能源，存在着开采枯竭的风险，世界各国不得不考虑潜在的能源危机。可再生能源的发展为上述问题的解决提供了新思路，即利用可再生电力合成各种绿色化学品，其中，电催化分解水制氢气(h2)技术反应物和产物对环境无害，并能将可再生能源的能量以高热值的h2化学品的形式存储起来，这种方式由于对环境和经济双赢而引起了广泛关注。

2、而析氧反应(oer)作为电解水制氢技术的重要半极反应，由于反应过程中涉及到四电子耦合质子的步骤，表现出比析氢反应(her)更缓慢的动力学过程，是整个电解水制氢技术能量消耗的主要部分，因此研究者们希望通过研究oer反应的动力学过程从而开发出催化活性和稳定性俱佳的催化剂以降低oer反应的能量损耗，从而促进电解水制氢技术的大规模应用。传统的贵金属催化剂(ir和ru及其氧化物)具有优异的电催化oer性能，但是高昂的成本、储量有限以及有限的稳定性限制了该类催化剂的应用。因此，在考虑电催化剂活性的同时，还需要兼顾催化剂成本以降低电解水制氢成本，满足电解水制氢技术的需要。

3、与此同时，碱性电解水的工作环境具有强碱性和高氧化电位的特点，这种强腐蚀性的环境使得催化剂在长时间运行之后往往很难保持较好的催化活性，因此实现碱槽的长稳定性面临巨大的挑战。通过可控的向阳极催化剂中引入第三种元素以调控催化剂的电子结构并利用其反应中的自修复过程，是实现阳极催化剂在碱槽中的长稳定性的新颖和可行的方法。

4、在一系列具有应用前景的oer催化材料中，ni、fe元素的层状双氢氧化物(ldh)由于便于调控的电子结构和组分、较高的催化活性和低成本成为碱性oer反应主要的研究方向，但是该材料的高电催化活性不能长时间持续，稳定性无法得到保证。通过向nife层状双氢氧化物(ldh)中掺杂过渡金属元素，能够调控该层状双氢氧化物(ldh)的结构使其保持高稳定性的同时调节ni、fe元素的化合价态，使其向高价态转变，从而具有更高的活性。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高效、长稳定性的ni、fe、cr三元组分精准可控的电催化水分解析氧催化剂的制备和原位稳定方法及其应用，有效的解决了上述技术背景中提到的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括如下步骤：

3、1)、将泡沫镍(nf)依次浸没在去离子水和hno3(aq)溶液中并进行超声预处理，结束后用去离子水冲洗多次去除表面的硝酸；

4、2)、将硝酸铬、硝酸镍、硝酸铁、尿素以及柠檬酸钠溶解于去离子水中形成均匀溶液，之后将预处理后的泡沫镍浸入上述均匀溶液中进行水热处理；

5、3)、取出样品用乙醇和去离子水水洗涤3-5次后，在葡萄糖溶液中保存3-5h时间，之后再用乙醇和去离子水洗涤并干燥后得到催化剂材料。

6、优选的，所述步骤(1)的hno3(aq)溶液浓度为0.1mol/l。

7、优选的，所述步骤(2)中的金属盐、硝酸镍、硝酸铁摩尔浓度分别为(0.00075m、0.00105m、0.00135m、0.00345m、0.00495m)、0.003m、0.012m。

8、优选的，所述步骤(2)所述的尿素和柠檬酸钠溶液浓度分别为0.035m和0.00025m。

9、优选的，所述步骤(2)所述水热处理温度为140℃～160℃，处理时间为23h～25h。

10、优选的，所述步骤(3)所述的葡萄糖溶液的浓度为：0.015m。

11、优选的，所述步骤(3)所述的样品在葡萄糖溶液的保存温度为：50℃。

12、优选的，过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的应用，所述过渡金属基电催化水分解阳极催化材料在电催化水分解析氧反应中的应用。

13、优选的，所述应用过程为：将上述催化剂材料放入到碱性电解液，具体为ph＝14的koh电解液，作为工作电极，pt丝电极作为对电极，饱和ag/agcl电极为参比电极(以饱和kcl作为填充液)，对析氧反应的过电位以及稳定性进行测试。

14、有益效果：1、本发明提供了一种可控合成高效、长稳定性的ni、fe、cr三元组分电催化水分解析氧催化剂的制备方法，该催化材料在测试中析出的cr离子原位自修复电极机制，显著增强催化剂稳定性，为高效、长稳定性商用催化剂的合成与制备提供有一种可行方法。

15、2、本发明所述的cr掺杂的nife层状双氢氧化物(ldh)催化剂(cr-ni2fe8ldh-nickle foam)不使用贵金属元素，所用原料成本低廉、易于购买且整个制备过程操作简便，对于该催化剂的商业化利用具有一定的现实意义。

16、3、本发明所述的催化剂在10ma/cm2下的过电位仅为190mv，展现出优异的oer催化活性，同时在三电极体系中，其稳定性测试超过了1200h，催化活性和稳定性优于绝大多数报道的催化剂。

17、4、本发明为碱性水电解提供了一种可供参考的电催化剂合成思路。

技术特征：

1.一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于：所述步骤(1)的hno3(aq)溶液浓度为0.01～0.5mol/l。

3.根据权利要求1所述的一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的硝酸铬、硝酸镍、硝酸铁摩尔浓度分别为0.0001～0.01m、0.003～0.01m、0.01～0.1m。

4.根据权利要求1所述的一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)所述的尿素和柠檬酸钠溶液浓度分别为0.01～0.5m和0.0001～0.001m。

5.根据权利要求1所述的一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于：所述步骤(2)所述水热处理温度为100℃～180℃，处理时间为12h～30h。

6.根据权利要求1所述的一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的葡萄糖溶液的浓度为：0.01～0.1m。

7.根据权利要求1所述的一种制备过渡金属基电催化水分解阳极催化材料的方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的样品在葡萄糖溶液的保存温度为：20℃～70℃。

8.根据权利要求1所述的催化剂原位稳定方法，其特征在于：该催化材料在测试中析出的cr离子原位自修复电极，维持催化剂稳定。

9.根据权利要求1所述的电催化水分解析氧催化剂的应用，其特征在于：所述电催化水分解析氧催化剂在电催化水分解析氧反应中的应用。

10.根据权利要求9所述的电催化水分解析氧催化剂的应用，其特征在于：所述应用过程为：将上述催化剂材料放入到碱性电解液，具体为ph＝14的koh电解液，作为工作电极，pt丝电极作为对电极，饱和ag/agcl电极为参比电极(以饱和kcl作为填充液)，对析氧反应的过电位以及稳定性进行测试。

技术总结本发明提供了一种高效、长稳定性的Ni、Fe、Cr三元组分精准可控的电催化水分解析氧催化剂的制备和原位稳定方法。涉及三元催化剂制备与高效稳定电化学方法技术领域，包含：三元金属盐前驱体溶液的精准配置，导电基底上高效催化剂的可控生长，以及电化学过程中催化剂自调节实现超长电化学稳定性机制。具体的电极制备过程包含：1)、将泡沫镍(NF)预处理除去表面吸附物；2)、将硝酸铬、硝酸镍、硝酸铁、尿素以及柠檬酸钠溶解于去离子水中形成三元金属盐前驱体溶液，之后将预处理后的泡沫镍浸入三元金属盐前驱体溶液中进行可控水热合成；本发明采用储量丰富、价格低廉的非贵金属制备得到了三元电解水析氧催化剂，可广泛应用于工业化生产。技术研发人员：钟苗,雷波,肖永成受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18