一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及催化剂，尤其涉及一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料及其制备方法，以及其作为催化剂在碱性析氢反应中的应用。

背景技术：

1、氢气作为化学工业的重要原料，在石油精炼、合成氨及合成甲醇等领域有广泛的应用。更为重要的是，氢气具有清洁无污染、能量密度高等优点，作为能源载体得到了广泛的关注，是最有望替代化石能源的化学品。不同于从传统化石能源中获取氢气的方式，电催化析氢反应(her)以其简单、环境友好等优点成为一种有前途的制氢方法。然而，由于在催化剂表面水吸附和解离以及随后的吸附氢(had)和产生的氢气解吸的高能垒，碱性电解质中的her动力学特别缓慢。因此，开发高效、低成本的碱性her催化剂以提高其反应动力学对于促进电解水制氢的实际应用具有重要意义。在众多的非贵金属材料中，nife合金由于低廉的成本、优异的导电性以及良好的碱性her活性受到了广泛的关注和探索。但是，nife合金作为her的催化剂还存在一些问题，主要在于：(1)单组分的nife合金缺乏有效的水解离位点，不利于后续反应的质子供应；(2)nife合金的h吸附能过强，导致had到氢气的转变动力学缓慢。

2、为了改善nife合金的催化性能，科研人员进行了大量的研究，取得了一定的成果。据文献报道，通过引入其它金属元素合金化，调控合金组分，可以有效调控nife合金的h吸附能；通过构建复合材料引入水解离组分，可以加速水分子的解离。上述方法均是有效的，但是对于催化性能的改善仍有待提高。本发明通过异质界面工程策略设计并制备了具有丰富金属-稀土氧化物界面nife/y2o3复合材料。nife-y2o3异质界面可以促进水分子的解离，界面处电荷的重新分配优化了nife合金的h吸附能，两者的协同作用实现了快速的her动力学，进而改善了催化性能。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料及其制备方法和应用。

2、根据本公开的第一方面，提供了一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、(1)根据水热方法合成泡沫镍负载的镍铁钇氢氧化物前驱体，首先将0.16～0.22g六水合硝酸镍、0.05～0.07g醋酸亚铁、0.15～0.24g六水合硝酸钇以及0.26～0.30g六亚甲基四胺分别溶于无水乙醇和去离子水的混合溶液中，通过磁力搅拌器搅拌均匀，然后加入泡沫镍进行水热反应；将水热反应后的样品进行清洗干燥，即得到镍铁钇氢氧化物前驱体；

4、(2)通过退火热还原处理制备镍铁合金/三氧化二钇nife/y2o3复合材料，将所述镍铁钇氢氧化物前驱体置于管式炉中，在3％～10％ h2/ar气氛下进行煅烧，即转化为镍铁合金/三氧化二钇nife/y2o3复合材料。

5、优选地，步骤(1)中，所述水热反应采用去离子水和无水乙醇的混合溶液，其中去离子水和无水乙醇的体积比为1:1。

6、优选地，步骤(1)中，所述水热反应的反应温度为90～120℃，反应时间为8～12h。

7、优选地，步骤(2)中，对前驱体在h2/ar气氛下进行所述退火处理，升温速率为1～5℃min-1,煅烧温度为400～550℃，煅烧时间为1～5h，镍铁氢氧化物转变为nife合金，钇氢氧化物转变为y2o3，前驱体转变为nife/y2o3复合材料。

8、根据本公开的第二方面，提供了一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料。

9、根据本公开的第三方面，提供了一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料的应用，其特征在于，将所述复合材料作为催化剂进行电化学活化与测试。

10、优选地，将所述泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料作为催化剂进行电化学活化与测试，包括以下步骤：

11、(1)所述电化学测试在一个标准的三电极测试系统中进行，其中所述泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇nife/y2o3复合材料直接作为工作电极，工作电极的面积为0.25～2cm2，碳棒作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，浓度为0.8～1.2m的koh溶液作为电解液；

12、(2)在进行所述电化学测试前，先通过循环伏安法活化工作电极，扫描速率为20～80mv s-1，相对于可逆氢电极的电压扫描范围为0～-0.5v，扫描圈数为5～50圈；

13、(3)极化曲线测试相对于可逆氢电极的电压扫描范围为0～-0.8v，扫描速率为5mvs-1；电化学阻抗谱图测试是在相对于可逆氢电极的电压为-0.15v的恒定电压下进行的，频率为0.01hz～100khz；双电层电容测试时，相对于银/氯化银电极的电压扫描范围为-0.45～-0.35v，扫描速率分别为20，30，40，50，60，70，80mv s-1。

14、本发明的目的是：

15、提供具有丰富金属-稀土氧化物界面的泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇nife/y2o3复合材料及其制备方法和应用。该材料是通过简单的水热法及随后的热还原处理制得的。该材料呈现出由许多纳米颗粒相互连接构成的纳米片形貌，具有较大的比表面积，暴露了更多的活性位点，有利于电解液的渗透和气泡的扩散。该材料丰富的nife-y2o3异质界面促进了水分子的解离，界面处的电子转移改善了nife合金过强的h吸附能。因此，界面处nife合金与y2o3的协同作用加速了碱性her动力学，从而改善了催化性能。该材料作为her催化剂具有良好的应用前景。本发明有望对稀土氧化物在电解水催化领域的应用有所启发。

16、本发明的有益效果是：

17、本发明制得的泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇nife/y2o3复合材料具有丰富的nife-y2o3异质界面，该界面促进了水分子的解离，而界面处的电子转移改善了nife合金过强的h吸附能，从而使nife合金的her性能得到了极大改善，表现出与商用pt/c相当的催化活性及优异的稳定性。

技术特征：

1.一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水热反应采用去离子水和无水乙醇的混合溶液，其中去离子水和无水乙醇的体积比为1:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水热反应的反应温度为90～120℃，反应时间为8～12h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，对前驱体在h2/ar气氛下进行所述退火处理，升温速率为1～5℃ min-1,煅烧温度为400～550℃，煅烧时间为1～5h，镍铁氢氧化物转变为nife合金，钇氢氧化物转变为y2o3，前驱体转变为nife/y2o3复合材料。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述制备方法得到的泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料。

6.根据权利要求5所述的泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料的应用，其特征在于，将所述复合材料作为催化剂进行电化学活化与测试。

7.根据权利要求6所述的泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇复合材料的应用，其特征在于，将所述复合材料作为催化剂进行电化学活化与测试，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及一种泡沫镍负载的镍铁合金/三氧化二钇NiFe/Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;复合材料及其制备方法和应用。该复合材料按照以下步骤进行制备：根据水热方法合成泡沫镍负载的镍铁钇氢氧化物前驱体；通过退火热还原处理制备镍铁合金/三氧化二钇NiFe/Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;复合材料。NiFe/Y<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;作为碱性析氢反应(HER)催化剂表现出优异的催化性能，在10mA cm<supgt;‑2</supgt;电流密度下的过电位为27mV，塔菲尔斜率为52mV dec<supgt;‑1</supgt;，在1000mA cm<supgt;‑2</supgt;的电流密度下连续工作200h催化性能没有明显衰减。相比于传统的商业Pt/C催化剂，该复合材料具有相当的催化活性及更高的稳定性，同时大幅降低了成本，具有良好的应用前景。本发明对稀土氧化物在电解水催化领域的应用开辟了新的途径。技术研发人员：杨春成,惠振鑫,李慧,文子,蒋青受保护的技术使用者：吉林大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16