一种多孔纳米片状NiCo1.48Fe0.52O4电催化剂，制备及其应用

本发明属于纳米材料，具体包含一种多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂，制备及其应用。

背景技术：

1、为了实现双碳目标，急需减少对化石原料的依赖，发展一种清洁能源。氢能作为一种清洁能源，热值高，无污染，被认为是最具有发展前景的能源之一。但是目前超过96％的氢气来源于煤基制氢和工业副产制氢，只有不到4％的氢气来源于电化学分解水。电化学分解水制氢原料是水，产物无污染，符合可持续发展要求。完整的分解水反应由阴极析氢反应(her)和阳极析氧反应(oer)两个半反应组成。然而，oer动力学缓慢，过电位较高，成为分解水反应的瓶颈。

2、目前商业电极ruo2/iro2的oer电催化性能优异，但其稀缺性、高成本和低稳定性阻碍了其大规模应用。因此，迫切需要开发高效、低成本的电催化剂，来提高电催化剂的催化活性和稳定性，实现大规模商业化。近年来，fe、co、ni等过渡金属基氧化物具有较好的电催化活性，并且作为配位环境可调的过渡金属氧化物催化剂，已成为一类具有广泛应用前景的电催化剂。但是这些暴露的金属氧化物活性位点大多是有限的，被困在封闭的空间或通常不参与电催化反应的难以进入的区域，导致电催化性能不理想，因此其电催化性能与商业电极相比仍有一定差距。

3、针对这个问题，优化电催化剂原料投料比、在电催化剂表面构造孔洞和电化学处理是改善材料电催化性能地有效途径。一种带孔的结构可以最大限度地暴露电催化剂内部的活性位点，进一步电化学处理可加快电催化剂与溶液之间的电荷转移速率和加快化学反应动力学，从而显著提高电催化剂的电催化活性。

4、因此，本发明提供了一种能暴露材料内部活性位点和提高材料结构稳定性的多孔的纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂及其制备方法和在oer中的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂。该多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂生长在泡沫镍基底上，具有活性位点多、催化能力强、结构稳定性好等优点，是一种性能优良的电催化剂。

2、本发明的第二个目的在于提供一种制备如上所述电催化剂的方法。该制备方法简单，成本低廉，重复性好。

3、本发明的第三个目的在于提供一种如上所述的电催化剂在电化学析氧反应中的应用。该电催化剂在oer中展现出优异的催化性能，有望广泛应用于电催化领域。

4、为实现以上第一个目的，本发明所采用的技术方案包括：

5、本发明公开一种多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂，所述电催化剂通过水热法和热退火的方法使多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4负载在泡沫镍上；

6、其中，所述电催化剂的厚度为20～60nm，直径为400～800nm，表面分布着孔径为10～60nm的孔洞。

7、在本发明的技术方案中，所述多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂指的是首先采用水热法和热退火的方法制备出负载在泡沫镍基底上的纳米片状nico1.48fe0.52o4，然后经过在还原气氛下的热退火过程在纳米片表面造孔，得到的多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂，其电催化剂的表面分布着大小不一的孔洞。

8、本发明与现有技术相比，当co源与fe源以3:1的摩尔比加入时，经过ar/h2热退火后，在泡沫镍基底上生长出多孔的纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂，具有粗糙多孔的形貌，有利于电催化剂与溶液进行电荷传输，具有活性位点多，导电性好，电化学活性高等优点，能有效的提高电催化剂的催化性能。

9、为实现以上第二个目的，本发明所采用的技术方案包括：

10、本发明公开一种制备如上所述多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂的方法，包括如下步骤：

11、s1、将六水合硝酸镍、六水合硝酸钴、九水合硝酸铁、氟化铵和尿素以摩尔比为1:1.5:0.5:6.5:1.5的比例依次溶解在装有去离子水的反应釜中，加入洗净的泡沫镍，在烘箱中保温一段时间，得到前驱体，再将前驱体放入管式炉中，在惰性气氛下加热反应一定时间，反应结束后自然降至室温，得负载在泡沫镍上的纳米片状nico1.48fe0.52o4；

12、s2、将s1得到的纳米片状nico1.48fe0.52o4置于管式炉中，持续通入还原性气体进行焙烧，并保温一段时间，待冷却至室温后即得多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂。

13、进一步，步骤s1中，所述烘箱保温温度为110～150℃，保温时间为5～12h。

14、进一步，步骤s1和s2中，在管式炉中的升温速率为6～15℃/min，反应温度为280～400℃，保温时间为1.5～4h。

15、进一步，所述还原性气体是选自氮气、氦气、氩气中的一种与氢气组合的混合气。

16、进一步，步骤s1中所述惰性气体流速为30～100sccm。

17、进一步，步骤s2中混合气流速为80～200sccm；优选地，混合气中惰性气与还原气的体积比为85:15。

18、为实现以上第三个目的，本发明所采用的技术方案包括：

19、本发明公开一种利用如上所述的电催化剂或利用如上所述的方法制备的电催化剂在电化学析氧反应中的应用。

20、进一步，在三电极体系中，以多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂为工作电极，石墨棒为对电极，hg/hgo为参比电极，进行电催化氧化水析氧的反应。

21、进一步，在电化学析氧反应前，所述电催化剂预先进行活化处理，具体步骤为：

22、以多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂为工作电极，石墨棒为对电极，hg/hgo为参比电极，用循环伏安法在0～0.7v(vs hg/hgo)范围内进行活化处理。

23、进一步，所述活化处理的溶液为1m koh或1m naoh。

24、进一步，活化处理的扫描速率为10～100mv/s。

25、进一步，活化处理的扫描圈数为150～300圈。

26、本发明有益效果：

27、本发明提供一种多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂。该多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂通过调配原料中co源与fe源的投料比例，使电催化剂的oer性能最优，进一步在还原性气氛中热退火，实现在纳米片状nico1.48fe0.52o4的表面造孔，形成大量尺寸不一的孔洞结构，该孔洞结构有利于暴露电催化剂内部的活性位点，在使用时，通过进一步的电化学活化处理，有利于电催化剂与溶液之间进行电荷传输，加快化学反应动力学速率，在上述结构的共同作用下该电催化剂在三电极电化学体系进行电催化氧化水析氧，展现了高效的析氧能力，有望广泛应用于电催化领域。

技术特征：

1.一种多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂，其特征在于，所述电催化剂通过水热法和热退火的方法使多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4负载在泡沫镍上；

2.如权利要求1所述的电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述烘箱保温温度为110～150℃，保温时间为5～12h。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1和s2中，在管式炉中的升温速率为6～15℃/min，反应温度为280～400℃，保温时间为1.5～4h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述还原性气体是选自氮气、氦气、氩气中的一种与氢气组合的混合气。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述惰性气体流速为30～100sccm。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中混合气流速为80～200sccm；

8.一种如权利要求1所述的电催化剂或如权利要求2-7任一项所述的方法制备的电催化剂在电化学析氧反应中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在三电极体系中，以多孔纳米片状nico1.48fe0.52o4电催化剂为工作电极，石墨棒为对电极，hg/hgo为参比电极，进行电催化氧化水析氧的反应。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，在电化学析氧反应前，所述电催化剂预先进行活化处理，具体步骤为：

技术总结
本发明提供一种多孔纳米片状NiCo<subgt;1.48</subgt;Fe<subgt;0.52</subgt;O<subgt;4</subgt;电催化剂，制备及其应用。所述电催化剂通过水热法和热退火的方法使多孔纳米片状NiCo<subgt;1.48</subgt;Fe<subgt;0.52</subgt;O<subgt;4</subgt;负载在泡沫镍上；其中，所述电催化剂的厚度为20～60nm，直径为400～800nm，表面分布着孔径为10～60nm的孔洞。通过调配原料中Co源与Fe源的投料比例，使电催化剂的OER性能最优，进一步在还原性气氛中热退火，实现在纳米片状NiCo<subgt;1.48</subgt;Fe<subgt;0.52</subgt;O<subgt;4</subgt;的表面造孔，形成大量尺寸不一的孔洞结构，该孔洞结构有利于暴露电催化剂内部的活性位点，同时，通过进一步的电化学活化处理，有利于电催化剂与溶液之间进行电荷传输，加快化学反应动力学速率，在上述结构的共同作用下该电催化剂在三电极电化学体系进行电催化氧化水析氧，展现了高效的析氧能力，有望广泛应用于电催化领域。

技术研发人员：师文生,王维,佘广为
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12