CN106894045B - 一种用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料制备方法，其主要是清洁金属镍基体表面，配制碱性电解液，金属碱的化合物的浓度为100‑300g/L，控制pH值大于14；再将清洗干净的镍基体作为工作电极浸入碱性电解液中，另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液，同时将过量的铁元素加入到碱性电解液；最后通过电化学技术对镍电极表面进行循环极化1‑24小时后，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物复合材料。本发明原材料廉价，工艺简单，易于操作，生产成本低，生产周期短，具有高电化学析氧催化活性并适合工业化大生产。

Description

一种用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种催化材料的制备方法，特别是一种铁掺杂镍基复合材料的制备方法。
背景技术
随着石化燃料资源的不断减少，社会发展对可再生清洁能源的需求变得越来越迫切，因此开发清洁能源技术成为国内外研究的热点之一。其中，电解水制氢是获得可再生氢能的最有效的手段之一。众所周知，电解水制氢过程主要涉及到氢气和氧气分别在正极和负极上的析出反应。虽然水的理论分解电压只有1.229V，然而，由于电极反应动力学迟缓所导致的极化使得电解水的实际电压高达1.8-2.5V，从而极大地增加了制氢的成本。为解决这一难题，目前最有效的手段是开发高活性的催化剂用以降低析氢和/或析氧反应的极化电位。这其中，正极析氧由于涉及到动力学更为复杂的4电子反应(以碱性电解质为例，析氧反应为：4OH-→O2+H2O+4e-)，电极极化问题更严重，亟待解决。因此开发用于电化学析氧的催化材料是电解水制氢工程的核心难题。
目前用于电化学析氧的催化材料中，最有效的是铂、钌基贵金属催化剂。然而由于贵金属资源稀缺，价格昂贵，因此该类催化剂的工业化生产受到极大限制。相较于贵金属催化剂，非贵金属(如：铁、钴、镍、锰等)基材料由于资源丰富、价格低廉，因而被用来开发高活性的材料以催化电化学析氧反应。例如，申请号为201410659047.9的专利公开了一种用于碱性水电解的负载型镍铁复合氢氧化物析氧电极的制备方法，该方法通过原材料负载、原位沉淀和压合而制得；又如，申请号为201510577234.7的专利公开了一种铁基-石墨烯复合材料用于电化学析氧催化的方法，该方法通过铁基材料剥离和石墨烯吸附组装的方式而制得。
综合近几年的报道不难看出，虽然越来越多的电化学析氧催化材料被开发和报道出来，然而存在的不足在于：由于所涉及的制备技术/方法原材料成本高、制备工艺复杂，生产周期长，从而导致材料总体成本高，效率低，不利于工业化生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原材料廉价，工艺简单，易于操作，生产成本低，生产周期短，具有高电化学析氧催化活性并适合工业化大生产的用于电化学析氧的铁掺杂镍基材料的制备方法。
本发明的技术方案具体如下：
(1)将金属镍基体清洗除尘、除锈、除油以获得清洁的镍表面；所述金属镍基体是指平板镍或者多孔镍基体；
(2)配制碱性电解液，主要成分为碱金属氢氧化物，所述碱金属氢氧化物的浓度为100-300g/L，pH值大于14；所述碱金属氢氧化物是指LiOH，NaOH，KOH中的一种或多种，两种碱金属氢氧化物时，其质量浓度比例范围为：x％：100-x％，其中浓度约束条件x取值1-50；三种碱金属氢氧化物，其质量浓度比例范围为：x％：y％：100-x-y％，其中浓度约束条件x取值1-40，y取值1-90，并且x+y<99；
(3)将清洗干净的镍基体作为工作电极浸入碱性电解液中，同时将过量的铁元素加入到碱性电解液；
所述加入的铁元素是指游离态的铁即金属铁单质或化合态铁，含铁化合物，所述过量是指加入的铁元素浓度大于该溶液中铁化合物的溶度积浓度10倍以上；
(4)通过脉冲电压阶跃、恒电位/恒电流阶跃或循环伏安电化学技术对镍电极表面进行循环极化1-24小时后，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基薄膜材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、原材料廉价，工艺简单，易于操作，生产成本低。
2、生产周期短，所制备产品的电化学析氧催化活性高，适合工业化大生产。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的铁掺杂的镍基化合物复合材料的扫描电镜图。
图2位本发明实施例1得到的铁掺杂的镍基化合物复合材料的能谱分析图。
具体实施方式
实施例1
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制KOH碱性电解液，KOH浓度为300g/L；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入KOH电解液中，同时将另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液。其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁电极用来提供材料制备所需的微量铁元素。通过电化学循环伏安技术(扫速：100mV/s，扫描电压窗口范围在0-2.5V)对镍电极进行循环极化12小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物复合材料。
如图1所示，可以看到所制备的镍基化合物薄膜材料为海绵状堆叠的多孔结构，分布均匀。
如图2所示，可以看出该薄膜材料主要由镍、铁(少量)和氧元素组成，由此可以推断该材料为铁掺杂的镍基化合物复合材料。
实施例2
首先，将金属镍片基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制NaOH碱性电解液，NaOH浓度为250g/L；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入NaOH电解液中，同时将另一片面积相等的镍片电极作为对电极一并加入到碱性电解液，并将5g铁粉加入电解液中，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁粉用来提供材料制备所需的微量铁元素。通过脉冲电压阶跃技术(脉冲宽度：50s，高电压2.5V，低电压0.5V)对镍电极进行循环极化24小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物复合材料。
实施例3
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制LiOH碱性电解液，LiOH浓度为100g/L；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入LiOH电解液中，同时将另一片面积相等的泡沫镍电极作为对电极一并加入到碱性电解液，然后，将10g氢氧化铁粉末加入电解液中，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，氢氧化铁粉末用来提供材料制备所需的微量铁元素。通过恒电压阶跃技术(高电压2.0V，低电压0.5V)对镍电极进行循环极化6小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物复合材料。
实施例4
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制碱性电解液，金属碱分别为LiOH，NaOH和KOH浓度为300g/L(LiOH：NaOH：KOH的质量比＝1(33.3％)：1(33.3％)：1(33.3％))；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入KOH电解液中，同时将另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁电极用来提供材料制备所需的铁元素。通过电化学循环伏安技术(扫速：50mV/s，电压窗口范围：0-2.5V)对镍电极进行循环极化8小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物薄膜材料。
实施例5
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制碱性电解液，金属碱分别为NaOH和KOH浓度为300g/L(NaOH：KOH的质量比＝1％：99％)；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入KOH电解液中，同时将另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁电极用来提供材料制备所需的铁元素。通过电化学循环伏安技术(扫速：50mV/s，电压窗口范围：0-2.5V)对镍电极进行循环极化1小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物薄膜材料。
实施例6
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制碱性电解液，金属碱分别为LiOH，NaOH和KOH浓度为200g/L(LiOH：NaOH：KOH的质量比＝40％：1％：59％)；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入KOH电解液中，同时将另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁电极用来提供材料制备所需的铁元素。通过电化学循环伏安技术(扫速：50mV/s，电压窗口范围：0-2.0V)对镍电极进行循环极化8小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物薄膜材料。
实施例7
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制碱性电解液，金属碱分别为LiOH，NaOH和KOH浓度为250g/L(LiOH：NaOH：KOH的质量比＝1％：90％：9％)；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入KOH电解液中，同时将另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁电极用来提供材料制备所需的铁元素。通过电化学循环伏安技术(扫速：50mV/s，电压窗口范围：0-2.2V)对镍电极进行循环极化12小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物薄膜材料。
实施例8
首先，将金属泡沫镍基体用去离子水和乙醇分别清洗以除尘、除油从而获得清洁的镍表面；其次，配制碱性电解液，金属碱分别为NaOH和KOH浓度为300g/L(NaOH：KOH的质量比＝30％：70％)；然后，将清洗干净的镍电极作为工作电极浸入KOH电解液中，同时将另一片面积相等的金属铁电极作为对电极一并加入到碱性电解液，其中，金属镍电极用来提供材料制备所需要的镍元素，金属铁电极用来提供材料制备所需的铁元素。通过电化学循环伏安技术(扫速：50mV/s，电压窗口范围：0-2.5V)对镍电极进行循环极化1小时，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物薄膜材料。

Claims (5)

1.一种用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
(1)将金属镍基体清洗除尘、除油以获得清洁的镍表面；
(2)配制碱性电解液，主要成分为碱金属氢氧化物，所述碱金属氢氧化物的浓度为100-300g/L；
(3)将清洗干净的镍基体作为工作电极浸入碱性电解液中，同时将过量的铁元素加入到碱性电解液；
(4)通过电化学技术对镍电极表面进行循环极化1-24小时后，即可在镍基体表面获得一层铁掺杂的镍基化合物复合材料。
2.根据权利要求1所述的用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料制备方法，其特征在于：所述镍基体是指平板镍或者多孔镍基体。
3.根据权利要求1所述的用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料制备方法，其特征在于：配制 电解液所用碱金属氢氧化物是指LiOH，NaOH，KOH中的一种或多种，两种碱金属氢氧化物时，其质量浓度比例范围为：x％：100-x％，其中浓度约束条件x取值1-50；三种碱金属氢氧化物，其质量浓度比例范围为：x％：y％：100-x-y％，其中浓度约束条件x取值1-40，y取值1-90，并且x+y<99。
4.根据权利要求1所述的一种用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料制备方法，其特征在于：所述加入的铁元素是指金属铁单质或含铁化合物，所述过量是指加入的铁元素浓度大于该溶液中铁化合物的溶度积浓度10倍以上。
5.根据权利要求1所述的用于电化学析氧的铁掺杂镍基复合材料制备方法，其特征在于：所述电化学技术是指脉冲电压阶跃或循环伏安。
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