CN107761128A - 一种FeNiNC电极材料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种FeNiNC电极材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种FeNiNC电极材料、制备方法及其应用。本发明首先将九水合硝酸铁、尿素、柠檬酸三钠和水混合，混合后溶液水热反应生成胶体；然后将泡沫镍浸泡在胶体中浸泡，浸泡结束后，将泡沫镍取出放入真空干燥箱干燥；最后煅烧得到FeNiNC电极材料。本发明制备的FeNiNC材料具有类似于泡沫镍的蓬松多孔结构，原料成本低，析氢效果良好，有望面向工业化发展。

Description

一种FeNiNC电极材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及氢能源技术领域，具体的说，涉及一种FeNiNC电极材料、制备方法及其应用。
背景技术
能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。目前全球80％的能量需求来源于化石燃料,这最终必将导致化石燃料的枯竭,而其使用也将导致严重的环境污染。从化石燃料逐步转向利用可持续发展无污染的非化石能源是发展的必然趋势。氢是理想的清洁能源之一也是重的化工原料,受到世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。电解水制氢具有简便、污染小、产品纯度高等优点，但是它的析氢反应(2H++2e→H2或2H2O+2e→H2+2OH-)存在较严重的阴极极化，导致较高的制氢成本，不适合大规模应用。近年发展起来的电催化析氢(ElectrocatalyticHydrogen EvolutionReaction，HER)被认为是极具应用前景的绿色制氢技术。这种制氢技术在催化剂的作用下，可以大幅度降低析氢过电位，具有能耗低、效率高、环境友好等优点。基于Pt、Pd等贵金属的催化剂不仅起始过电位低，而且活性和稳定性都很好，是目前析氢性能最好的催化剂。但是这些贵金属价格昂贵，不利于实际应用。
非贵金属析氢催化剂主要有基于Mo、W、Fe、Co、Ni等过渡金属的磷化物、硫化物以及它们的合金等。由于Mo和W在地壳中的含量(约0.00011％)远低于Fe(6.8％)、Co(0.003％)、Ni(0.0089％)的含量，因此，发展基于Fe、Co、Ni的电催化析氢催化剂更有利于电催化析氢技术的大规模产业化。近年基于Fe、Co、Ni的电催化析氢催化剂得到了大力发展，制备了不少性能优异的催化剂，对电催化析氢技术的产业化起到了很好的推动作用。这些催化剂主要包括Fe、Co、Ni的合金、磷化物、硫化物等，
R.B.Levy和M.Boudart已经发现，碳化物拥有类似Pt的催化性质，这主要是因为它有类似Pt的d带电子态，基于这项发现，碳化钨的应用范围也从非均相催化(醇分解和活化氧)扩展到燃料电池电解、电解剂等。碳化物的特殊结构，决定了其在HER上拥有良好的性能，因此，以碳化物为基体的催化剂也正逐渐应用于这些新的领域。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种成本低的碳氮共掺杂FeNiNC电极材料、制备方法，并且研究了它在电催化析氢方面的应用。所述的杂化催化剂比现有的电催化剂成本低，而且非金属元素的引入降低了电催化析氢时的过电位，改善了电催化析氢的效果，该催化剂稳定性良好，制备方法简单，增强了电催化析氢的性能。
本发明提供一种FeNiNC电极材料的制备方法，首先将九水合硝酸铁、尿素、柠檬酸三钠和水混合，混合后溶液进行水热反应，反应结束后去除上清多余的水分，生成胶体；然后将泡沫镍浸泡在胶体中浸泡，浸泡结束后，将泡沫镍取出放入真空干燥箱干燥；最后煅烧得到FeNiNC电极材料。
本发明中，泡沫镍使用前在水、丙酮、乙醇中各自浸泡超声10～20min。
本发明中，九水合硝酸铁、尿素和柠檬酸三钠的质量比为(0.5～1)：(0.5～5)：(0.0008～0.0016)。加入柠檬酸三钠用以控制胶体粒径，让胶体颗粒分散的更加均匀。
本发明中，九水合硝酸铁和水的质量比为1:50～1:100。
本发明中，水热反应的温度为140～160℃；反应时间为22～26h。
本发明中，浸泡时间为10～15h；干燥温度为50～65℃。
本发明中，煅烧温度为750～850℃，煅烧时间为1～3h。
本发明还提供一种上述的制备方法得到的FeNiNC电极材料。
本发明进一步提供一种上述的FeNiNC电极材料在电催化析氢反应中的应用。应用方法包括如下步骤：
(1)配Nation溶液0.2-0.5wt％。称取1mg上述杂化催化剂溶解在100μL配制好的Nation溶液中，在超声下均匀分散半个小时。然后再将该溶液吸取6-24μL于玻碳电极上，自然晾干。
(2)配制0.5M的硫酸水溶液作为电催化的电解液，通入氮气赶跑空气，用0.5M的硫酸溶液清洗玻碳电极的电极表面，接着将玻碳电极、Ag/AgCl电极、铂电极接上电化学工作站，在酸性溶液中测得该杂化催化剂电催化析氢的性能。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
该电极材料的Tafel斜率和过电位低，故析氢效果良好，而且非金属元素的引入导致催化剂的稳定性良好。
采用本发明的电催化析氢电极材料在酸性介质中电解水，经对比发现本发明析氢效果，过电位低，而且成本较低。其中，电催化性能测试在0.5M的硫酸溶液中进行。
在本发明中，铁元素和镍元素作为过渡金属元素，其自身可以通过调节电子结构来改善电化学活性，利用泡沫镍的骨架使得碳化后的材料蓬松多孔，增强了催化剂在酸性溶液中的质子吸附能力，从而增强了电催化析氢的能力。非金属的引入不仅通过电荷转移和/或伴随的结构改性来大大调整金属宿主的电子结构，从而显着提高母体金属中心的催化效能，而且可以改善电极材料的稳定性。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的描述,但本发明并不限于下述实施例。
本发明各实施例中所用的各种原料，如无特殊说明，均为市售。
实施例1
九水合硝酸铁 0.7g
尿素 0.9g
柠檬酸三钠 1.3mg
泡沫镍一片 (1cm*4cm)
余量为蒸馏水
上述复合材料通过如下步骤的制备方法制备：
将九水合硝酸铁配成1M的溶液，尿素配成0.5M的溶液，柠檬酸三钠配成0.01M的溶液，然后量取1.5mL硝酸铁溶液，6mL尿素溶液和2mL柠檬酸三钠溶液于100mL烧杯中，加入70mL蒸馏水稀释，将溶液放入高温水热釜中150℃中水热20h成氢氧化铁胶体，冷却后将上清多余的水分倒去。准备好1cm*4cm的泡沫镍若干，将其在水、丙酮、乙醇中各自浸泡超声15min，放入烘箱中烘干。然后将经过前处理的泡沫镍浸泡在氢氧化铁胶体中浸泡一夜，然后将泡沫镍取出放入真空干燥箱干燥，最后通入氮气，在800℃下煅烧2h得到FeNiNC电极材料。
应用实施例1
将实施例1的产品进行研磨，将玻碳电极表面使用0.05μm的氧化铝研磨干净，除去残留样品，使用乙醇和水冲洗干净，晾干。
(1)用无水甲醇配Nation溶液0.5wt％。称取1mg上述杂化催化剂溶解在100μL配制好的Nation溶液中，在超声下均匀分散两个小时。然后再将该溶液吸取18μL于玻碳电极上，自然晾干。
(2)配制0.5M的硫酸水溶液作为电催化的电解液，通入氮气赶跑空气，用0.5M的硫酸水溶液清洗玻碳电极的电极表面，接着将玻碳电极、Ag/AgCl电极、铂电极接上电化学工作站，在酸性溶液中测得该电极材料电催化析氢的性能，该材料Tafel斜率为96mV dec-1，在电流密度为10mA cm-2的过电位为213mV。
实施例2
九水合硝酸铁 1.1g
尿素 0.9g
柠檬酸三钠 1.3mg
泡沫镍一片
余量为蒸馏水
上述复合材料通过如下步骤的制备方法：
将九水合硝酸铁配成1M的溶液，尿素配成0.5M的溶液，柠檬酸三钠配成0.01M的溶液，然后量取2.5mL硝酸铁溶液，6mL尿素溶液和2mL柠檬酸三钠溶液于100mL烧杯中，加入70mL蒸馏水稀释，将溶液放入高温水热釜中150℃中水热24h成氢氧化铁胶体，冷却后将上清多余的水分倒去。准备好1cm*4cm的泡沫镍若干，将其在水、丙酮、乙醇中各自浸泡超声15min，放入烘箱中烘干。然后将经过前处理的泡沫镍浸泡在氢氧化铁胶体中浸泡一夜，然后将泡沫镍取出放入真空干燥箱干燥，最后通入氮气，在800℃下煅烧2h得到FeNiNC电极材料。
应用实施例2
将实施例2的产品进行研磨，将玻碳电极表面使用0.05μm的氧化铝研磨干净，除去残留样品，使用乙醇和水冲洗干净，晾干。
(1)用无水甲醇配Nation溶液0.6wt％。称取1mg上述杂化催化剂溶解在100μL配制好的Nation溶液中，在超声下均匀分散两个小时。然后再将该溶液吸取18μL于玻碳电极上，自然晾干。
(2)配制0.5M的硫酸水溶液作为电催化的电解液，通入氮气赶跑空气，用0.5M的硫酸水溶液清洗玻碳电极的电极表面，接着将玻碳电极、Ag/AgCl电极、铂电极接上电化学工作站，在酸性溶液中测得该电极材料电催化析氢的性能，该材料Tafel斜率为128mV dec-1，在电流密度为10mA cm-2的过电位为250mV。
实施例3
九水合硝酸铁 0.7g
尿素 0.9g
柠檬酸三钠 2.5mg
泡沫镍一片
余量为蒸馏水
上述复合材料通过如下步骤的制备方法：
将九水合硝酸铁配成1M的溶液，尿素配成0.5M的溶液，柠檬酸三钠配成0.01M的溶液，然后量取1.5mL硝酸铁溶液，6mL尿素溶液和4mL柠檬酸三钠溶液于100mL烧杯中，加入70mL蒸馏水稀释，将溶液放入高温水热釜中150℃中水热24h成氢氧化铁胶体，冷却后将上清多余的水分倒去。准备好1cm*4cm的泡沫镍若干，将其在水、丙酮、乙醇中各自浸泡超声15min，放入烘箱中烘干。然后将经过前处理的泡沫镍浸泡在氢氧化铁胶体中浸泡一夜，然后将泡沫镍取出放入真空干燥箱干燥，最后通入氮气，在800℃下煅烧2h得到FeNiNC电极材料。
应用实施例3
将实施例3的产品进行研磨，将玻碳电极表面使用0.05μm的氧化铝研磨干净，除去残留样品，使用乙醇和水冲洗干净，晾干。
(1)用无水甲醇配Nation溶液0.5wt％。称取1mg上述杂化催化剂溶解在100μL配制好的Nation溶液中，在超声下均匀分散两个小时。然后再将该溶液吸取24μL于玻碳电极上，自然晾干。
(2)配制0.5M的硫酸水溶液作为电催化的电解液，通入氮气赶跑空气，用0.5M的硫酸水溶液清洗玻碳电极的电极表面，接着将玻碳电极、Ag/AgCl电极、铂电极接上电化学工作站，在酸性溶液中测得该电极材料电催化析氢的性能，该材料Tafel斜率为113mV dec-1，在电流密度为10mA cm-2的过电位为236mV。

Claims (9)

1.一种FeNiNC电极材料的制备方法，其特征在于，首先将九水合硝酸铁、尿素、柠檬酸三钠和水混合，混合后溶液进行水热反应，反应结束后去除上清多余的水分，生成胶体；然后将前处理好泡沫镍浸泡在胶体中浸泡，浸泡结束后，将泡沫镍取出放入真空干燥箱干燥；最后煅烧得到FeNiNC电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，泡沫镍使用前在水、丙酮、乙醇中各自浸泡超声10～20min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，九水合硝酸铁、尿素和柠檬酸三钠的质量比为(0.5～1)：(0.5～5)：(0.0008～0.0016)。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，九水合硝酸铁和水的质量比为1:50～1:100。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，水热反应的温度为140～160℃；反应时间为22～26h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，浸泡时间为10～15h；干燥温度为50～65℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，煅烧温度为750～850℃，煅烧时间为1～3h。
8.一种根据权利要求1～7之一所述的制备方法得到的FeNiNC电极材料。
9.一种根据权利要求8所述的FeNiNC电极材料在电催化析氢反应中的应用。
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