针状铁钴氮化物-氧化物的制备及其在电解水中的应用

本发明属于电催化剂的制备领域，具体涉及一种以聚多巴胺为基底的针状铁钴氮化物-氧化物的制备及其作为自支撑催化电极在电解水中的应用。

背景技术：

1、开发具有成本效益的可再生能源一直是人类社会可持续健康发展的紧迫问题。氢能作为最有前景的绿色可持续能源之一，因具有高能量密度、零污染排放的优势而备受关注。水电解制氢技术被认为是未来制氢最有前景的途径。水电解分为阳极析氧反应（oer）和阴极析氢反应（her）这两个半反应，四电子oer反应过程因为固有的缓慢动力学成为了整个水电解中的决速步骤。

2、碱性电解质中性能优异的oer催化剂往往是价格昂贵的贵金属，但是贵金属的稀有度和高成本限制了其商业化的应用。而在现开发的非贵金属催化剂中，金属氧化物催化剂往往在具备催化活性高的同时存在着稳定性差的弊端，而金属氮化物催化剂虽然较为稳定但其催化活性并不理想。

技术实现思路

1、针对现有的电解水析氧反应催化剂存在的技术缺陷，本发明提供了一种以聚多巴胺为基底制备的针状铁钴氮化物-氧化物，其具有着成本低、性能好、稳定性高的优势，可作为自支撑催化电极用于催化电解水。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的目的之一是保护一种针状铁钴氮化物-氧化物，其是在多巴胺自聚合过程中加入铁/钴金属源，以便于金属离子扎根于聚多巴胺基底中，再将聚多巴胺中嵌入的铁/钴金属氧化物通过部分氮化重建为均匀的双金属fecooxhy/fecon纳米针（x=1-3，y=0-3）；其制备方法包括如下步骤：

4、1）在碱性溶液中加入盐酸多巴胺、铁盐、钴盐及镍泡沫进行自聚合反应，从而在镍泡沫表面形成包含fe-co的聚多巴胺膜；

5、2）将步骤1）制备的镍泡沫进行水热处理，然后置于管式炉中进行高温热氮化处理，得到以聚多巴胺为基底的铁钴氮化物-氧化物。

6、进一步地，步骤1）中所述碱性溶液是由去离子水、无水乙醇以及氨水按体积比180:80:1.5配制而成。

7、进一步地，步骤1）中铁盐、钴盐的加入量分别为所用盐酸多巴胺质量的80.8%和58.2%。

8、进一步地，步骤1）所述铁盐为硝酸铁。

9、进一步地，步骤1）所述钴盐为硝酸钴。

10、进一步地，步骤1）所述自聚合反应是在常温下搅拌反应40h。

11、进一步地，步骤2）所述水热处理具体是将长、宽均为0.1cm-2cm，高为0.1mm-1.5mm的步骤1）制备的镍泡沫与4.5mol氢氧化钠、0.39mol无水碳酸钠于30ml去离子水中搅拌均匀，然后于100℃下反应24h后，将镍泡沫取出，用去离子水冲洗后烘干。

12、进一步地，步骤2）所述高温热氮化处理具体是将经水热处理后的镍泡沫置于石英舟中，将石英舟置于石英管，再把石英管放入管式炉，通入氨气并升温至350℃，保温2h后自然冷却至室温。

13、进一步地，所得铁钴氮化物-氧化物为纳米针状结构，其长度为0.6μm-6μm，直径为50-600nm。

14、本发明的目的之二是保护所述针状铁钴氮化物-氧化物在电解水中的应用，其具体是将所述针状铁钴氮化物-氧化物作为自支撑催化电极，在碱性条件下用于催化电解水制氧。

15、本发明具有以下优点：

16、（1）本发明采用的材料成本低，在采用非贵金属的基础上，通过聚多巴胺的加入，进一步降低了所需金属的用量，极大的减少了催化剂的制备成本。

17、（2）本发明所制备的双金属纳米针状结构材料，比表面积大，电子传输能力强，活性位点多，氧化物部分氮化重建为均匀的双金属氮化物-氧化物的相互作用也有利于电子传输。

18、（3）本发明所制备的双金属纳米针状结构材料具有着极其优异的电催化析氧性能，在10ma·cm-2的电流密度时的过电位为190mv，在100ma·cm-2的电流密度时的过电位为252mv，对比其他非贵金属催化剂，其大电流下优势更为明显，具有更广阔的工业化应用前景。

19、（4）本发明所制备的双金属纳米针状结构材料具有着良好的稳定性，其在100ma的电流密度下工作24小时，其电流密度都不曾低于100ma。

技术特征：

1.一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述碱性溶液是由去离子水、无水乙醇以及氨水按体积比180:80:1.5配制而成。

3.根据权利要求1所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，步骤1）中铁盐、钴盐的加入量分别为所用盐酸多巴胺质量的80.8%和58.2%。

4.根据权利要求1或3所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，所述铁盐为硝酸铁，所述钴盐为硝酸钴。

5.根据权利要求1所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述自聚合反应是在常温下搅拌反应40h。

6.根据权利要求1所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，步骤2）所述水热处理是将镍泡沫与氢氧化钠、无水碳酸钠于去离子水中搅拌均匀，然后于100℃下反应24h后，将镍泡沫取出，用去离子水冲洗后烘干。

7.根据权利要求1所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，步骤2）所述高温热氮化处理具体是将经水热处理后的镍泡沫在氨气环境下升温至350℃，保温2h后自然冷却至室温。

8.根据权利要求1所述一种针状铁钴氮化物-氧化物的制备方法，其特征在于，所得铁钴氮化物-氧化物为纳米针状结构，其长度为0.6μm-6μm，直径为50-600nm。

9.一种如权利要求1~8任一方法制备的针状铁钴氮化物-氧化物。

10.一种如权利要求9所述针状铁钴氮化物-氧化物在电解水中的应用，其特征在于，将所述针状铁钴氮化物-氧化物作为自支撑催化电极，在碱性条件下用于催化电解水制氧。

技术总结本发明公开了一种以聚多巴胺为基底的针状铁钴氮化物‑氧化物的制备及其在电解水中的应用。本发明通过在碱性条件下多巴胺的自聚合过程中加入铁盐、钴盐与镍泡沫，从而在镍泡沫表面形成包含Fe‑Co的聚多巴胺膜，之后使用水热法与高温热氮化法对该镍泡沫进行处理，以获得具有针状结构的铁钴氮化物‑氧化物。本发明制作过程简单，成本低廉，所得铁钴氮化物‑氧化物具有极其优异的电解水性能，并表现出了不俗的稳定性，这使其可作为自支撑催化电极用于碱性条件下的电解水。技术研发人员：刘洋,李伟毅,梁成露受保护的技术使用者：福建理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4