CN106861699A - 一种析氧反应电催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种析氧反应电催化剂及其制备方法,所述制备方法包括如下步骤:冰水浴保护条件下,将硼氢化钠(NaBH4)溶液快速加入溶液I中,搅拌反应;所述溶液I是亚铁盐溶液,或者亚铁盐与镍盐的混合溶液。该方法无需氮气保护,对设备的要求相对较低,同时方法原理也相对简单;反应迅速,制备快捷,可以在短时间内大量生产。上述方法所制备的本发明的催化剂应用于在碱性条件下催化氧析出反应(OER),表现出优异的催化活性,比商业化的IrO2催化剂OER活性更高,稳定性更好,且价格低廉。
Description
技术领域
本发明属于电化学催化剂领域,尤其涉及一类可用于催化析氧反应的纳米镍铁合金的制备方法。
背景技术
众所周知,传统化石燃料濒临枯竭的同时也为世界带来源源不断的污染,人类面临严峻的能源问题,急需推动可再生能源的转化和储能技术的发展。而源源不断的太阳能和风能生成的电能需要被储存起来,可再生燃料电池则为储存和利用太阳能、风能等间歇性能源提供一种可能的方式。可再生燃料电池将氢氧燃料电池和水电解相结合的新型能源转化和储存技术,通过(2H2+O2→2H2O+电能)与(2H2O+电能→2H2+O2)过程得以循环进行,使氢氧燃料电池的燃料H2和氧化剂O2可通过水电解过程得以“再生”,起到蓄能作用。
然而由于析氧反应缓慢的动力学过程,电解水需要的电压远远高于水分解的热力学电势。到目前为止,IrO2是在碱性体系中性能和稳定性最好的析氧反应催化剂(OER催化剂),但由于其在地球上的含量稀少,价格昂贵,大大限制了它们商业化的应用。因此开发价格低廉、稳定高效的OER催化剂具有重要的意义。
除了贵金属,资源丰富Mn、Fe、Co、Ni等过渡金属在碱性介质中具有较高的析氧催化活性。其中,金属镍价格相对便宜,碱性介质中耐腐蚀性强,在金属中具有较高的析氧催化活性。为了提高Ni的催化效率,通常可采用增大比表面的方法或做成合金。1983年,Wendt等人利用Raney Ni的多通道和精细裂纹,将其做成阳极材料在30w.t.%的KOH,90℃时的析氧过电位比同等条件下Ni的析氧过电位降低30mV,并将其发表在《Electrochimica Acta》上。1992年,Kirk等人在《Electrochimica Acta》报道了通过熔融纺丝制得无定型Ni-Co合金,通过煅烧得到结晶的Ni-Co合金,然后将其在碱性溶液中用作OER催化剂,并指出Ni在析氧过程中起着关键作用。但是相比于IrO2,这些催化剂仍然存在催化电流密度低,过电位较高,稳定性差,催化剂合成复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有OER催化剂存在的价格昂贵、催化电流密度低,过电位高、稳定性差、合成方法复杂问题,提供一种镍铁合金的简单快速合成方法,并在碱性条件下将其用于OER催化剂。
本发明的目的之一在于提供一种析氧反应电催化剂的制备方法,所述方法包括如下步骤:冰水浴保护条件下,将硼氢化钠(NaBH4)溶液快速加入溶液I中,搅拌反应;所述溶液I是亚铁盐溶液,或者亚铁盐与镍盐的混合溶液。
其中所述的亚铁盐是水溶性亚铁盐,所述的镍盐是水溶性镍盐,溶液I的溶剂为水。
另一方面,本发明还在于提供一种由上述方法所制备的催化剂及其在析氧反应中的应用。
本发明基于改进的液相还原法,在无惰性气体保护下,被强还原剂还原为纳米零价镍铁合金颗粒,快速合成出分散性好,颗粒均匀,粒径在10~100nm的纳米镍铁合金。采用本发明合成的纳米铁颗粒,设备简单,操作方便,成本低。同时所制备的催化剂具有很好的OER活性,Tafel斜率达到34mV dec-1,过电位为0.34V时电流密度为10mA cm-2,过电位为0.35V时电流密度达到20mAcm-2,并且稳定性优于IrO2。可作为可再生燃料电池、可充电金属空气电池、电解水等领域的电催化剂。
附图说明
本发明附图3幅:
图1是实施例中Ni-Fe合金的X射线衍射(XRD)谱图;
图2是实施例中Ni-Fe合金和IrO2的析氧反应(OER)极化曲线;
图3是实施例中Ni-Fe合金和IrO2的Tafel曲线。
具体实施方式
本发明所提供的析氧反应电催化剂的制备方法,是无需惰性气体保护,在冰水浴保护条件下,硼氢化钠(NaBH4)溶液快速加入含亚铁离子或者混合金属离子的溶液I中反应的技术方案。该技术方案采用液相还原法制备纳米零价镍铁粒子,在无惰性气体保护下,先亚铁盐或亚铁盐与镍盐的混合金属盐溶解于蒸馏水中,搅拌混合均匀,在冰水浴保护下将相应量的NaBH4溶液快速倾倒入所述的盐溶液中,溶液颜色立刻变为黑色,搅拌条件下进行液相还原反应约20~35min,亚铁离子/镍离子和亚铁离子被还原制得纳米零价镍铁颗粒。用去离子水洗涤至pH=7,无水乙醇洗涤一次后离心分离,将得到的产物分散到乙腈中,之后放入冷冻干燥机中干燥得到尺寸为10~100nm的催化剂颗粒。
上述制备方法的具体实施例之一,所述的溶液I是可溶性亚铁盐。
另一具体实施方式,所述的溶液I是可溶性亚铁盐与可溶性镍盐的混合水溶液。优选镍离子与亚铁离子的摩尔比不超过0.4。更为优选的,镍离子与亚铁离子的摩尔比不超过0.3;再优选0.05~0.2;最优选镍离子与亚铁离子的摩尔比为0.1。
本发明所述析氧反应电催化剂的制备方法中,所述的溶液I中铁离子、镍离子来源于相应的可溶性金属盐或金属盐的混合物,溶剂为水。所述亚铁盐优选自硫酸亚铁、氯化亚铁或其混合物。所述的镍盐选自氯化镍、硝酸镍、硫酸镍或其中两种或三种按照任意比例的混合物。溶液I中金属离子浓度为0.14mol/L~0.16mol/L。
进一步的,所述的硼氢化钠的用量(摩尔)是溶液I中金属离子总量的5~7倍。
本发明所述析氧反应电催化剂的制备方法中包括将硼氢化钠(NaBH4)溶液加入至亚铁离子溶液、亚铁/镍离子混合溶液中的步骤,优选的具体实施方式中,上述步骤加入方法为快速倾倒。最优选5~10秒完成倾倒。
再进一步,中还包括反映后产物处理的步骤:将制得的产品用去离子水和乙醇洗涤后,分散到乙腈中低温冷冻干燥。
上述本发明的析氧反应电催化剂的制备方法可具体描述为包括如下步骤的实施方式:
(1)冰水浴保护,氯化镍和七水合硫酸亚铁溶于水中制备溶液I;
溶液I中,镍离子和亚铁离子总浓度为0.14mol/L~0.16mol/L,镍离子和亚铁离子的摩尔比为0~0.4;优选0~0.3;更优选0.05~0.2;最优选0.1。
(2)将浓度为0.7mol/L~1.1mol/L的硼氢化钠水溶液快速倾倒入上述溶液I中,使硼氢化钠的物质的量是溶液I中金属离子总量的5~7倍;继续搅拌反应20~35min;所得产品先用去离子水洗涤至pH=7,再用无水乙醇洗涤,离心分离后分散到乙腈中,低温冷冻机干燥。
本发明进一步所提供的一种析氧反应电催化剂,由上文所述的制备方法制得。所述的催化剂尺寸为10~100nm。所制备的催化剂应用于析氧反应中。优选应用于碱性反应条件。
下面的具体实施例是对本发明的进一步说明,不应理解为对本发明内容任意形式的限制。
对实施例1~5所制备的催化剂,以XRD进行表征,表征结果如附图1:在扫描衍射角度为10~90时,衍射峰分别为44.59度,64.03度,81.84度,对照铁的标准PDF卡片发现,刚好对应相应的110晶面衍射(44.6732度),200晶面衍射(65.0211度),211晶面衍射(82.3326度)。表明颗粒为体心立方结构。而在35.67度出现的衍射峰表明出现氧化物质。
如无特殊说明本发明所制备的催化剂的氧析出(OER)活性采用如下方法评价:
(1)催化剂浆料的制备:将等量的Ni-Fe合金和XC-72分散到异丙醇中,再向其中加入适量Nafion溶液(5w.t.%),然后超声震荡使其分散均匀得到催化剂浆料。
(2)电极制备:将上述制备的催化剂浆料用移液管移取一定量到旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。
(3)电极活性的测试:将制备好的电极装到旋转圆盘装置上进行测试。
测试过程如下:
1)电化学测试体系为三电极体系(担载催化剂的玻碳电极为工作电极,铂丝或铂片为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极),电解质为0.1mol/L的KOH溶液。
2)在测试之前,向反应器中通N2至饱和,扫循环伏安(CV)清洁表面,电压扫描范围为-0.8~0V。之后通O2至饱和,在测试过程中也不停的通氧气。
3)评价氧析出(OER)活性,进行极化曲线测试(LSV),电压扫描范围为0~0.8V,扫描速度为10mvs-1,旋转速度为1600rpm。
对比例1
为了便于比较,对目前商业化的催化OER性能最好的IrO2进行氧析出评价。称取商业化的IrO2和XC-72各5mg分散在2mL的异丙醇中,再加入50μL Nafion(5w.t.%)溶液,超声震荡30min使混合均匀得到催化剂浆料。然后移取20μL催化剂浆料于直径为5mm的旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。得到的电极按照以上发明内容里的电极测试过程进行氧析出(OER)活性评价和稳定性测试。测试结果显示,当析氧电流密度为10mA/cm2时,过电位为0.34V;当析氧电流密度为20mA/cm2时,过电位为0.38V。
实施例1
称取0.83克七水合硫酸亚铁溶于20毫升水中,冰水浴保护。硫酸亚铁浓度为0.15摩尔每升。将20毫升0.9摩尔每升的硼氢化钠溶液快速倾倒入硫酸亚铁溶液中,继续搅拌反应30分钟。先用水洗涤至pH=7,再用无水乙醇洗涤1次后离心分离。将产品分散到乙腈中,冷冻干燥机低温真空干燥。得到尺寸为10~100nm的金属Fe颗粒。称取得到的黑色粉体和XC-72各5mg分散在2mL的异丙醇中,再加入50μL Nafion(5%)溶液,超声震荡30min使混合均匀得到催化剂浆料。然后移取20μL催化剂浆料于直径为5mm的旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。得到的电极按照以上发明内容里的电极测试过程进行氧析出(OER)活性评价。测试结果显示,当析氧电流密度为10mA/cm2时,过电位为0.49V。
实施例2
称取0.0357克氯化镍和0.7924克七水合硫酸亚铁溶于20毫升水中,冰水浴保护。硫酸亚铁浓度为0.15摩尔每升。将20毫升0.9摩尔每升的硼氢化钠溶液快速倾倒入硫酸亚铁溶液中,继续搅拌反应30分钟。先用水洗涤至pH=7,再用无水乙醇洗涤1次后离心分离。将产品分散到乙腈中,冷冻干燥机低温真空干燥。得到尺寸为10~100nm的Ni-Fe合金颗粒。称取得到的黑色粉体和XC-72各5mg分散在2mL的异丙醇中,再加入50μL Nafion(5%)溶液,超声震荡30min使混合均匀得到催化剂浆料。然后移取20μL催化剂浆料于直径为5mm的旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。得到的电极按照以上发明内容里的电极测试过程进行氧析出(OER)活性评价。测试结果显示,当析氧电流密度为10mA/cm2时,过电位为0.37V。当析氧电流密度为20mA/cm2时,过电位为0.40V。
实施例3
称取0.0713克氯化镍和0.7507克七水合硫酸亚铁溶于20毫升水中,冰水浴保护。硫酸亚铁浓度为0.15摩尔每升。将20毫升0.9摩尔每升的硼氢化钠溶液快速倾倒入硫酸亚铁溶液中,倾倒用时8秒,继续搅拌反应30分钟。先用300毫升去离子水洗涤产品至体系pH=7,离心分离得到产品,再用无水乙醇洗涤1次后离心分离。将产品分散到乙腈中,冷冻干燥机低温真空干燥。得到尺寸为10~100nm的Ni-Fe合金颗粒。称取得到的黑色粉体和XC-72各5mg分散在2mL的异丙醇中,再加入50μL Nafion(5%)溶液,超声震荡30min使混合均匀得到催化剂浆料。然后移取20μL催化剂浆料于直径为5mm的旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。得到的电极按照以上发明内容里的电极测试过程进行氧析出(OER)活性评价。测试结果显示,当析氧电流密度为10mA/cm2时,过电位为0.34V。当析氧电流密度为20mA/cm2时,过电位为0.35V。
实施例4
称取0.1426克氯化镍和0.6672克七水合硫酸亚铁溶于20毫升水中,冰水浴保护。硫酸亚铁浓度为0.15摩尔每升。将20毫升0.9摩尔每升的硼氢化钠溶液快速倾倒入硫酸亚铁溶液中,继续搅拌反应30分钟。先用水洗涤至pH=7,再用无水乙醇洗涤1次后离心分离。将产品分散到乙腈中,冷冻干燥机低温真空干燥。得到尺寸为10~100nm的Ni-Fe合金颗粒。称取得到的黑色粉体和XC-72各5mg分散在2mL的异丙醇中,再加入50μL Nafion(5%)溶液,超声震荡30min使混合均匀得到催化剂浆料。然后移取20μL催化剂浆料于直径为5mm的旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。得到的电极按照以上发明内容里的电极测试过程进行氧析出(OER)活性评价。测试结果显示,当析氧电流密度为10mA/cm2时,过电位为0.35V。当析氧电流密度为20mA/cm2时,过电位为0.37V。
实施例5
称取0.2139克氯化镍和0.5838克七水合硫酸亚铁溶于20毫升水中,冰水浴保护。硫酸亚铁浓度为0.15摩尔每升。将20毫升0.9摩尔每升的硼氢化钠溶液快速倾倒入硫酸亚铁溶液中,继续搅拌反应30分钟。先用水洗涤至pH=7,再用无水乙醇洗涤1次后离心分离。将产品分散到乙腈中,冷冻干燥机低温真空干燥。得到尺寸为10~100nm的Ni-Fe合金颗粒。称取得到的黑色粉体和XC-72各5mg分散在2mL的异丙醇中,再加入50μL Nafion(5%)溶液,超声震荡30min使混合均匀得到催化剂浆料。然后移取20μL催化剂浆料于直径为5mm的旋转圆盘电极上,空气中自然干燥。得到的电极按照以上发明内容里的电极测试过程进行氧析出(OER)活性评价。测试结果显示,当析氧电流密度为10mA/cm2时,过电位为0.39V。当析氧电流密度为20mA/cm2时,过电位为0.41V。
根据实施例1~5的测试结果,制作实施例中Ni-Fe合金和IrO2的析氧反应(OER)极化曲线(如图2所示)和Tafel曲线(如图3所示),能更为直观地表现出这些产品的特征
上述实施例可以列举许多,从申请人大量的试验数据证明,采用本发明技术方案所涉及的制备方法,可以成功的合成出纳米尺寸催化剂,且在碱性条件下表现出优异的氧析出反应(OER)催化性能。
Claims (12)
1.一种析氧反应电催化剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:冰水浴保护条件下,将硼氢化钠溶液快速加入溶液I中,搅拌反应;所述溶液I是亚铁盐溶液,或者亚铁盐与镍盐的混合溶液。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的溶液I中,镍离子与亚铁离子的摩尔比为0~0.4。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的亚铁盐,选自硫酸亚铁、氯化亚铁或其混合物。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的镍盐选自氯化镍、硝酸镍、硫酸镍或其中两种或三种按照任意比例的混合物。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的硼氢化钠的物质的量是溶液I中金属离子总量的5~7倍。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述反应时间20~35分钟。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的硼氢化钠(NaBH4)溶液加入方法为快速倾倒。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括以下步骤:将制得的产品用去离子水和乙醇洗涤后,分散到乙腈中低温冷冻干燥。
9.权利要求1所述的方法,包括如下步骤:
(1)冰水浴保护,氯化镍和七水合硫酸亚铁溶于水中制备溶液I;
溶液I中,镍离子和亚铁离子总浓度为0.14mol/L~0.16mol/L,镍离子和亚铁离子的摩尔比为0~0.4;
(2)将浓度为0.7mol/L~1.1mol/L的硼氢化钠水溶液快速倾倒入上述溶液I中,使硼氢化钠的物质的量是溶液I中金属离子总量的5~7倍;继续搅拌反应20~35min;所得产品先用去离子水洗涤至pH=7,再用无水乙醇洗涤,离心分离后分散到乙腈中,低温冷冻机干燥。
10.一种析氧反应电催化剂,其特征在于,由权利要求1所述的方法制备。
11.权利要求10所述的析氧反应电催化剂,其特征在于,所述的催化剂尺寸为10~100nm。
12.权利要求1所述的析氧反应电催化剂在析氧反应中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20170620 |