CN106450349A - 一种用于析氧反应的铁镍水滑石结构纳米片的制备方法 - Google Patents

一种用于析氧反应的铁镍水滑石结构纳米片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种析氧反应催化剂材料铁镍水滑石结构纳米片的制备方法。将铁源化合物与镍源化合物溶于亲水性溶液中，加入有机钠盐和碱性试剂，继续搅拌形成澄清溶液，进行微波加热下的冷凝回流，自然冷却至室温，离心洗涤后分离，真空干燥后得到铁镍水滑石结构纳米片。本发明采用微波加热冷凝回流的方式，制备方法简单、易操作、成本低廉、环境友好，整个反应过程不需要特殊设备，利于工业化生产，最终得到产物质量较高。本方法制备的铁镍水滑石结构纳米片可同时实现材料导电性高，活性位点多，电催化活性高等优点。本发明制备的材料是一种具有广泛商业化应用前景的理想析氧反应催化材料。

Description

一种用于析氧反应的铁镍水滑石结构纳米片的制备方法
技术领域
本发明具体涉及类石墨烯二维材料，铁镍水滑石结构纳米材料的制备，属于类石墨烯二维纳米材料的制备技术与电催化材料应用领域。
背景技术
电催化反应与能源的发展密不可分，电催化反应与燃料电池、锂空气电池和电解水有着直接的关联。这些反应都是绿色高效的产能或储能手段，完全符合现代发展对于能源的要求，析氧反应作为电催化反应的一个重要半反应，是当今研究的热点。
在析氧反应催化剂研究的早期，主要关注对象是Ru、Ir，Pt等贵金属材料。贵金属材料由于高昂的成本限制了自身的广泛应用。随着近年来的研究发展，为了避免高昂的使用成本，过渡金属氢氧化物在析氧反应催化方面的研究受到了广泛的重视。Ming Gong等人(J Am Chem Soc,135(2013)8452-8455)报道了铁镍水滑石结构材料作为析氧反应催化剂的优异性能。此后相关的材料一直成为析氧反应催化材料的研究热点。
二维材料在电子传输或者热传递时被限制在一个平面内，这一独特的物理特性使其受到了广泛的关注。当二维材料作为电催化剂时，不但高电子传输速率在反应过程中对材料的性能有着较高的提升，高的比表面积与更多的活性暴露位点有利于催化活性的进一步提升。
目前国际上使用的二维水滑石材料的制备主要围绕着电沉积与液相剥离，这两种方法制备的材料合成周期长产量低不利于大规模的制备。在此选用微波加热液相合成，与传统方式相比，合成周期短，材料均一，对环境友好。
发明内容
本发明的目的就是为了合成高产量、高品质的铁镍水滑石结构纳米片从而解决了现有催化剂存在的电流密度低，过电位高，稳定性差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于析氧反应的铁镍水滑石结构纳米片的制备方法，包括下列步骤：
(1)将镍源化合物和铁源化合物溶于亲水性溶剂中，其中铁原子与镍原子的摩尔比例为1:(2～100)，金属盐的总浓度0.05～1.5mol/L。
(2)将步骤(1)所得的溶液加入有机钠盐和碱性试剂，溶解后有机钠盐的摩尔浓度为0.001～0.5mol/L，氢氧根离子的摩尔浓度为0.2～6mol/L。
(3)将步骤(2)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波激发条件下加热，反应功率为300～900W，反应时长为10～120分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
以上所述的镍源化合物为硝酸镍，氯化镍，草酸镍，硫酸镍中的一种或者两种以上的混合盐；铁源化合物为硝酸铁，硝酸亚铁，氯化铁，氯化亚铁，草酸亚铁，硫酸铁，硫酸亚铁中的一种或者两种以上的混合盐；亲水性溶剂为去离子水，乙醇，乙二醇，丙三醇，异丙醇，异丁醇，癸醇中的一种或者两种以上的混合溶液；有机钠盐为柠檬酸三钠，酒石酸钠，十二烷基苯磺酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠中的一种或者两种以上的混合盐；碱性试剂为氢氧化钾，氢氧化钠，氨水，尿素，乙二胺中的一种或者两种以上的混合盐。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，nafion与混合溶液中混合溶液比例为1:(9～20)。将配制好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。
有益效果
1.本发明的一种微波液相合铁镍水滑石结构纳米片的方法，其微观结构形貌特征为超薄、大面积，可用于析氧反应催化材料。
2.本发明的一种微波液相合成铁镍水滑石结构纳米片的方法，操作简单，成本低廉，反应条件温和，整个反应在常压下进行，反应温度在60～190℃之间，反应时间为10～120分钟，产物尺寸形貌均匀分散性好。
3.本发明的一种微波液相合成铁镍水滑石结构纳米片的方法，是析氧反应的良好催化剂，在1M KOH溶液中，扫速为10mV/s时，在过电位2.88V下，电流密度可达到10mAcm-2。
附图说明
图1为实施例1所制备的铁镍水滑石结构纳米片的X-射线衍射图谱；
图2为实施例3所制备的铁镍水滑石结构纳米片的投射电子显微镜图；
图3为实施例5所制备的铁镍水滑石结构纳米片在1M KOH电解液中的线性伏安法扫描性能。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细描述，有助于理解本发明，但本发明并不仅局限于以下实施例。
实施例1
(1)将1.6g的氯化镍和0.2g草酸亚铁溶于80mL去离子水中，加入0.3g的酒石酸钠和3.2g的氢氧化钾继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率为500W条件下加热反应30分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为95:5。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在扫描速率为10mV/s的扫速下测量，过电位3.16V时，电流密度可达到10mA cm-2。
图1为本实施例所制得的铁镍水滑石结构纳米片的X射线衍射图谱，从图中可以看出所获得的材料有很好的水滑石结构特征峰，并且材料的结晶良好。
实施例2
(1)将2.1g的硝酸镍和0.3g的硫酸亚铁溶于60mL水和40mL乙二醇的混合溶剂中，加入1.1g的十二烷基苯磺酸钠和3.2g的氢氧化钠继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率700W下加热反应15分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为90:10。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在扫描速率为50mV/s的扫速下测量，过电位3.02V时，电流密度可达到10mA cm-2。
实施例3
(1)将2.8g的硫酸镍和0.6g氯化亚铁溶于30mL水和75mL乙醇的混合溶剂中，加入0.8g的柠檬酸三钠和3.2g的尿素继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率600W条件下加热反应120分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为93:7。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在扫描速率为80mV/s的扫速下测量，过电位2.92V时，电流密度可达到10mA cm-2。
图2为本实施例所制得的铁镍水滑石结构纳米片的投射电子显微镜，从图中可以看出所获得的材料有很好的纳米片形貌，并且材料的形貌均一、分散性好。
实施例4
(1)将4.2g的氯化镍和0.6g硫酸亚铁溶于30mL癸醇和70mL乙二醇的混合溶剂中，加入0.8g的十二烷基磺酸钠和3.2g的乙二胺继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率900W条件下，加热反应20分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为95:5。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在扫描速率为60mV/s的扫速下测量，过电位2.98V时，电流密度可达到10mA cm-2。
实施例5
(1)将5.2g的草酸镍和2.1g硝酸亚铁溶于20mL水、30mL乙醇和60mL癸醇的混合溶剂中，加入0.8g的十二烷基硫酸钠、0.2g的酒石酸钠和3.2g的尿素继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率500W条件下加热反应50分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为95:5。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在10mv/s的扫速下测试，结果如图3所示。
图3为本实施例所制得的铁镍水滑石结构纳米片的析氧反应性能图，如图中所示纵坐标在不同外加电位下，析氧反应产生的电流密度。图中显示在过电位为2.88V时材料的电流密度就能达到10mAcm-2。
实施例6
(1)将1.4g的草酸镍和0.3g硝酸铁溶于70mL水、20mL乙醇和30mL异丙醇的混合溶剂中，加入0.8g的十二烷苯磺酸钠、0.9g的酒石酸钠和3.2g的氢氧化钠继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率800W条件下加热反应50分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为93:7。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在扫描速率为30mV/s的扫速下测量，过电位3.08V时，电流密度可达到10mA cm-2。
实施例7
1)将5.2g的硝酸镍和2.1g氯化亚铁溶于90mL乙醇和20mL癸醇的混合溶剂中，加入0.8g的十二烷基硫酸钠和3.2g的尿素继续搅拌15～20分钟形成澄清溶液。
(2)将步骤(1)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波功率600W条件下加热反应20分钟，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
(4)将上步合成的材料用于电解水(析氧反应)催化材料，将材料分散在混合溶液与nafion中，混合溶液中混合溶液与nafion比例为90:10。将配置好的溶液涂敷在玻碳电极表面，室温晾干。采用三电极体系用线性扫描伏安法进行测试，电解液为1M KOH。在扫描速率为5mV/s的扫速下测量，过电位3.28V时，电流密度可达到10mA cm-2。

Claims (6)

1.一种用于析氧反应的铁镍水滑石结构纳米片的制备方法，包括如下步骤：
(1)将镍源化合物和铁源化合物溶于亲水性溶剂中，其中铁原子与镍原子的摩尔比例为1:(2～100)，金属盐的总浓度0.05～1.5mol/L。
(2)将步骤(1)所得的溶液加入有机钠盐和碱性试剂，溶解后有机钠盐的摩尔浓度为0.001～0.5mol/L，氢氧根离子的摩尔浓度为0.2～6mol/L。
(3)将步骤(2)所得的溶液转移至玻璃器皿中，在微波激发条件下加热，反应功率为300～900W，反应时长为10～120min，冷凝回流，待反应结束后，自然冷却至室温。
(3)将上步得到的材料先后用去离子水和无水乙醇洗涤后放入真空干燥箱干燥后便可得到铁镍水滑石结构纳米片。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述镍源化合物为硝酸镍，氯化镍，草酸镍硫酸镍中的一种或者两种以上的混合盐。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铁源化合物为硝酸铁，硝酸亚铁，氯化铁，氯化亚铁，草酸亚铁，硫酸铁，硫酸亚铁中的一种或者两种以上的混合盐质量。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述亲水性溶剂为去离子水，乙醇，乙二醇，丙三醇，异丙醇，异丁醇，癸醇中的一种或者两种以上的混合溶液。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述碱性试剂为氢氧化钾，氢氧化钠，氨水，尿素，乙二胺中的一种或者两种以上的混合盐。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述有机钠盐为柠檬酸三钠，酒石酸钠，十二烷基苯磺酸钠，十二烷基磺酸钠，十二烷基硫酸钠中的一种或者两种以上的混合盐。
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