钼掺杂镍铁合金材料、制备方法及应用

1.本发明属于纳米材料领域，尤其是钼掺杂镍铁合金材料、制备方法及应用。


背景技术：

2.随着全球工业高速发展和人类社会的不断进步，人类面临的能源危机问题日益突出。现阶段，煤炭、石油、天然气等不可再生资源仍然负担着全球80％以上的能源消耗。但化石能源属于不可再生资源，且化石燃料在使用过程存在一定的环境污染问题。因此，人类迫切需要探索清洁和可持续利用的能源资源来减少或替代化石能源的使用。潮汐能、太阳能、风能、氢能等可再生资源由于无污染、可持续利用等优势受到人们的广泛关注，但潮汐能、太阳能、风能由于地域因素和转换效率低等限制无法达到大规模商业应用的标准，氢能作为绿色清洁无污染的可再生能源，被人们认为是替代化石燃料的最佳选择。
3.目前，氢燃料的制取方法主要包括化石燃料重整制氢、工业副产气制氢、电解水制氢。化石燃料重整制氢的原料主要以煤和天然气为主，成本低，是目前工业制氢的主要方式，但由于化石燃料短缺，且制备过程中会对环境造成危害等问题，是不可持续发展的制氢方式；工业副产气制氢的主要原料是焦炉煤气和丙烷等，虽然制氢成本低，但产品纯度低，且产品需要进一步分离提纯；电解水制氢具有原料简单、环保无污染、制氢效率高、产品纯度高等优点。因此，电解水制氢成为未来制氢方式的首选。电解水时发生的反应为析氢反应(her)和析氧反应(oer)两个半反应，由于析氧反应为四电子转移过程，反应动力学缓慢，为了提高反应过程中的转化率，降低析氧反应的能垒，减小析氧反应的过电位，人们开始研究高效的析氧反应催化剂用于电解水制氢。目前，二氧化钌、氧化铱等贵金属催化剂由于其优异的催化性能引起人们的关注。但由于贵金属催化剂价格高昂且原料稀缺，因此人们开始研究地球上含量丰富的过渡金属基催化剂用来替代贵金属催化剂用于高效析氧反应。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供钼掺杂镍铁合金材料、制备方法及应用，旨在解决现有的合金催化剂的析氧效率低、稳定性差等问题。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.钼掺杂镍铁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
7.(1)利用水热合成法制备镍铁钼三金属水滑石材料；
8.(2)将所述镍铁钼三金属水滑石材料在还原气氛下进行高温煅烧，得到钼掺杂的镍铁合金催化剂；
9.煅烧条件为：在550～800℃在ar/h2煅烧1～3h。
10.进一步的，步骤(1)具体为:
11.配制ni(no3)2·
6h2o、fecl2·
4h2o、mocl5、nh4f和尿素的水溶液，作为前驱体溶液，在120℃下水热反应6h得到镍铁钼三金属水滑石材料。
12.进一步的，在前驱体溶液中，ni(no3)2·
6h2o的浓度为30mm，fecl2·
4h2o的浓度为5
～10mm，mocl5的浓度为5～10mm。
13.进一步的，在前驱体溶液中，nh4f的浓度为225mm，尿素的浓度为225mm。
14.进一步的，步骤(2)中气相还原法步骤如下：
15.将镍铁钼三金属水滑石材料放置于含有ar+h2管式炉内，在600℃煅烧1h；
16.其中，h2的体积分数为10％。
17.一种钼掺杂镍铁合金材料，根据本发明所述的制备方法得到。
18.本发明的钼掺杂镍铁合金材料的应用，作为催化剂在碱性溶液中进行析氧反应。
19.进一步的，将所述钼掺杂镍铁合金材料负载在泡沫镍上作为工作电极，铂电极为对电极，氧化汞为参比电极，在碱性电解液中进行电催化水解
20.与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：
21.本发明的钼掺杂镍铁合金材料的制备方法，本发明通过一步水热法合成三金属镍铁钼水滑石材料，再通过气相还原法将材料转化为钼掺杂的镍铁合金，该制备方法简单，可大范围推广应用。
22.本发明的钼掺杂镍铁合金材料，整体为纳米球状，引入了金属钼，有效提升了镍铁合金的析氧反应性能，降低了析氧反应过程中的反应能垒，降低了过电势，相较于贵金属催化剂而言降低了成本，具有稳定性强的优势。
23.本发明的钼掺杂镍铁合金材料的应用，具有优异的析氧性能，催化活性好，稳定性强，用于电解水制氢可有效提高析氧效率；相比镍铁合金，在10ma
·
cm-2
处的过电势降低了100mv左右。
附图说明
24.图1为实施例1的钼掺杂镍铁合金材料的x射线光电子能谱图；
25.图2为实施例1的钼掺杂镍铁合金材料的扫描电子显微镜图；
26.图3为实施例1制得的钼掺杂镍铁合金材料的析氧反应性能测试图。
27.图4为实施例1制得的钼掺杂镍铁合金材料的x射线mo的精细谱
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或者变更，均应包含在本发明的范围内。
29.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
30.实施例1
31.(1)、镍铁钼三金属水滑石材料的制备
32.配制含30mm ni(no3)2·
6h2o、7.5mm fecl2·
4h2o、7.5mm mocl5、225mm尿素和225mm nh4f的40ml水溶液，作为前驱体溶液，在120℃下水热反应6小时，将反应产物进行洗涤过滤烘干，得到镍铁钼三金属水滑石材料。
33.(2)、钼掺杂镍铁合金材料的制备
34.将步骤(1)中所得镍铁钼三金属水滑石材料在90％ar+10％h2的还原气氛下进行
高温煅烧，得到钼掺杂铁镍合金材料，高温煅烧的温度为600℃，时间为1h。
35.参见图1，图1是实施例1制得的钼掺杂镍铁合金材料的x射线光电子能谱图，从图中可以看出，ni、fe和mo的存在，钼掺杂镍铁合金材料成功制备。
36.参见图2，图2是实施例1制得的钼掺杂镍铁合金的扫描电子显微镜图，可以看出材料成纳米球状。
37.参见图3，图3是实施例1制得的钼掺杂镍铁合金材料的电化学伏安曲线图，在1.0m koh溶液中，以扫速5mv
·
s-1
进行测试，其中工作电极工作面积为0.196cm2，从图上可知，在析氧反应过程中，达到电流密度为10ma
·
cm-2
时，仅需246mv的过电势。
38.参见图4，图4为实施例1制得的钼掺杂镍铁合金材料的x射线钼的精细谱，从mo的精细谱分析，钼是以六价的形式存在。钼作为高价态金属引入ni-fe，以促进电催化水解，加速反应动力学，降低析氧反应过程中的反应能垒。
39.实施例2
40.(1)、镍铁钼三金属水滑石材料的制备
41.配制含30mm ni(no3)2·
6h2o、5mm fecl2·
4h2o、10mm mocl5、225mm尿素和225mm nh4f的40ml水溶液，作为前驱体溶液，在120℃下水热反应6h，将反应产物进行洗涤过滤烘干，得到镍铁钼三金属水滑石材料。
42.(2)、钼掺杂镍铁合金材料的制备
43.将步骤(1)中所得的镍铁钼三金属水滑石材料在90％ar+10％h2的还原气氛下进行高温煅烧，得到钼掺杂镍铁合金材料，高温煅烧的温度为800℃，时间为2h。
44.实施例3
45.(1)、镍铁钼三金属水滑石材料的制备
46.配制含30mm ni(no3)2·
6h2o、10mm fecl2·
4h2o、5mm mocl5、225mm尿素和225mm nh4f的40ml水溶液，作为前驱体溶液，在120℃下水热反应6h，将反应产物进行洗涤过滤烘干，得到镍铁钼三金属水滑石材料。
47.(2)、钼掺杂镍铁合金材料的制备
48.将步骤(1)中所得镍铁钼三金属水滑石材料在90％ar+10％h2的还原气氛下进行高温煅烧，得到钼掺杂铁镍合金材料，高温煅烧的温度为600℃，时间为3h。
49.实施例4
50.(1)、镍铁钼三金属水滑石材料的制备
51.配制含30mm ni(no3)2·
6h2o、5mm fecl2·
4h2o、5mm mocl5、225mm尿素和225mm nh4f的100ml水溶液，作为前驱体溶液，在120℃下水热反应6h，将反应产物进行洗涤过滤烘干，得到镍铁钼三金属水滑石材料。
52.(2)、钼掺杂镍铁合金材料的制备
53.将步骤(1)中所得镍铁钼三金属水滑石材料在90％ar+10％h2的还原气氛下进行高温煅烧，得到钼掺杂铁镍合金材料，高温煅烧的温度为700℃，时间为3h。
54.实施例5
55.(1)、镍铁钼三金属水滑石材料的制备
56.配制含30mm ni(no3)2·
6h2o、5mm fecl2·
4h2o、10mm mocl5、225mm尿素和225mm nh4f的40ml水溶液，作为前驱体溶液，在120℃下水热反应6h，将反应产物进行洗涤过滤烘
干，得到镍铁钼三金属水滑石材料。
57.(2)、钼掺杂镍铁合金材料的制备
58.将步骤(1)中所得镍铁钼三金属水滑石材料在90％ar+10％h2的还原气氛下进行高温煅烧，得到钼掺杂铁镍合金材料，高温煅烧的温度为550℃，时间为3h。
59.实施例2-实施例5的产物经过相关表征，均制备出来了钼掺杂镍铁合金材料。
60.以上内容仅为说明本发明的设计思想，不能一次限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的设计思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围内。