一种三维互联镍铁层状双氢氧化物网络及其制备方法与应用

本发明涉及新型功能纳米材料，具体涉及一种三维互联镍铁层状双氢氧化物网络及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氢气是不可多得的理想含能体能源。生产工业级绿色氢气的理想途径是碱性介质中水的电解，然而电化学水分解的效率受制于析氧反应缓慢的“四电子转移”动力学。因此，对析氧反应来说，使用高效和稳定的电催化剂来减缓反应相关的反应障碍，最小化过电位和增强反应动力学是非常必要的。迄今为止，贵金属材料(包括基于ruo2和iro2的催化剂)显示出高催化效率，然而，其稀缺性和高成本使其在工业规模上的使用受到了限制。

2、储量丰富的过渡金属基化合物，例如氧化物、硫化物和层状双氢氧化物，由于其成本较低，电子结构独特，并展现出了优异的催化性能，已被广泛探索作为水分解中贵金属电催化剂的替代品。其中，镍铁层状双氢氧化物表现出良好的催化活性。但是其传统合成方法通常需要较高温度和较长反应时间，并且制备工艺复杂，添加剂多使用尿素、氟化铵、乙醇和甲醇等，伴随产生有环保危害的副产物，无法实现绿色环保、规模化快速制备。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种三维互联镍铁层状双氢氧化物网络及其制备方法与应用。

2、为了实现上述目的，本发明公开了一种三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)将铁盐、酸溶液依次加入到去离子水中，搅拌后形成前驱体溶液；

4、(2)将泡沫镍加入到步骤(1)得到的前驱体溶液中，然后将其转移至密封的聚四氟乙烯罐体中，再将上述罐体置于烘箱中，升温至一定温度并在该温度下保温一段时间；将反应后的泡沫镍清洗后，常温干燥，即得到泡沫镍基体上负载的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络。

5、进一步的，步骤(1)中所述铁盐为六水合氯化铁、四水合氯化亚铁、九水合硝酸铁和七水合硫酸亚铁中的一种或多种。

6、进一步的，步骤(1)中所述酸溶液为盐酸、硝酸和硫酸中的一种或多种。

7、进一步的，步骤(1)中所述前驱体溶液中铁盐的浓度为0.001～0.02mol/l、酸的浓度为0.01～1mol/l。

8、进一步的，步骤(2)中将烘箱以5～15℃/min的升温速率加热至60～80℃。

9、进一步的，步骤(2)中保温时间是1～6h。

10、进一步的，步骤(2)中将反应后的泡沫镍用去离子水清洗3遍后，常温干燥12h。

11、本发明的目的还在于提供一种按照上述方法制备得到的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络及该三维互联镍铁层状双氢氧化物网络在电催化析氧反应中的应用。

12、进一步的，所述三维互联镍铁层状双氢氧化物网络是由镍铁层状双氢氧化物二维纳米片重叠互联而成。

13、本发明将泡沫镍浸入铁盐和酸溶液形成的前驱体溶液中，在泡沫镍周围营造一个酸性蚀刻环境，使其部分离解，表面金属镍失去电子解离出ni2+；同时自由电子与溶液中的溶解o2结合，提供oh–，再与金属离子(包括镍离子和铁离子)发生反应，原位生成三维互联的镍铁层状双氢氧化物网络。这种复合的酸性腐蚀环境下发生了两种主要的电化学反应，其一是酸溶液的酸性环境，蚀刻泡沫镍，析出ni2+，而且铁盐提供的cl–、no32–、so42–等也加速了蚀刻过程；其二是溶液中的o2参与电化学反应提供oh–最终结合金属离子将其沉积在泡沫镍表面。这两种反应在反应物浓度、温度和时间的影响下相互协同促使原位生成了三维互联的镍铁层状双氢氧化物网络。

14、由于涉及多种合成程序或复杂的操作，具有可调节组分的纳米结构过渡金属化合物的合成通常具有挑战性。在本发明中，采用一步自调节酸蚀刻策略来制备镍铁层状双氢氧化物二维纳米片组装而成的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络表现出对析氧反应的电催化活性。这种制备镍铁层状双氢氧化物方法避免了许多结构设计挑战，并提供了高活性位点和催化剂与载体之间的坚固界面。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、(1)本发明在泡沫镍支撑体上直接生长电极材料，相比于先制备再收集催化材料粉体，再利用粘结剂等固定在支撑体上的策略，这种原位生成的方法简单、经济高效且可重复。

17、(2)本发明创新的自调节酸蚀刻策略被用于一步制备三维镍铁层状双氢氧化物网络。通过对泡沫镍的原位酸蚀刻，既作为镍离子源又作为电极材料载体，获得了优越的界面接触，确保了显著的电导率和结构稳定性。

18、(3)本发明在自我调节的ph环境中，不同尺寸的三维互联镍铁网络被选择性合成并无缝堆叠成两层或多层交错的覆盖层。利用这种简单的合成，我们可制备高效和稳定的析氧反应电极。这些电极在碱性介质中表现出低过电位、低塔菲尔斜率和高电流密度。

19、(4)本发明的制备工艺还可拓展应用到其它多金属氢氧化物的制备，利用多种阳离子协同增效作用，进一步提高水电解催化效率，且产率较高，易于规模化推广。

技术特征：

1.一种三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述铁盐为六水合氯化铁、四水合氯化亚铁、九水合硝酸铁和七水合硫酸亚铁中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述酸溶液为盐酸、硝酸和硫酸中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述前驱体溶液中铁盐的浓度为0.001～0.02mol/l、酸的浓度为0.01～1mol/l。

5.如权利要求1所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于：步骤(2)中将烘箱以5～15℃/min的升温速率加热至60～80℃。

6.如权利要求1所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于：步骤(2)中保温时间是1～6h。

7.如权利要求1所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络的制备方法，其特征在于：步骤(2)中将反应后的泡沫镍用去离子水清洗3遍后，常温干燥12h。

8.如权利要求1～7任一项所述制备方法制得的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络。

9.如权利要求8所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络，其特征在于：所述三维互联镍铁层状双氢氧化物网络是由镍铁层状双氢氧化物二维纳米片重叠互联而成。

10.如权利要求8所述的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络在电催化析氧反应中的应用。

技术总结本发明涉及一种三维互联镍铁层状双氢氧化物网络及其制备方法与应用，将铁盐、酸溶液依次加入到去离子水中，搅拌后形成前驱体溶液；将泡沫镍加入到前驱体溶液中，然后将其转移至密封的聚四氟乙烯罐体中，再将罐体置于烘箱中，升温至一定温度并保温一段时间；将反应后的泡沫镍清洗后，常温干燥，即得到泡沫镍基体上负载的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络。本发明通过简单的自调节酸蚀刻反应制备出负载于泡沫镍上的三维互联镍铁层状双氢氧化物网络，主要由镍铁层状双氢氧化物纳米片层状结构互联而成，原料及制备工艺非常简单，便于规模化推广，同时目标产物具有优异的电催化活性和化学稳定性，可应用于电解水制氢产氧及其他电催化领域。技术研发人员：李雪,张锐,苏当成,陈建军,王青峰受保护的技术使用者：洛阳理工学院技术研发日：技术公布日：2024/7/15