CN107435156A - 一种高性能电解水析氧催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电解水催化剂技术领域,特别涉及一种高性能电解水析氧催化剂的制备方法。一种高性能电解水析氧催化剂的制备方法,包含以下步骤:(1)将一定含量的硫脲、镍盐、铁盐和葡萄糖溶解于去离子水当中,并将上述混合溶液用搅拌机搅拌,将一定浓度的强碱溶液逐滴加入上述处于搅拌状态的混合溶液,强碱溶液滴加结束后继续搅拌;(2)将步骤(1)中所得混合溶液装入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,将反应釜加热一段时间后自然冷却,将反应釜所得内混合溶液过滤并用去离子水漂洗滤渣直至中性,将所得滤渣在惰性氛围下煅烧,之后自然冷却,将煅烧后的产物进行研磨,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。本发明制备的催化剂具有较好的电解水析氧催化性能,其催化性能较为稳定。
Description
技术领域
本发明属于电解水催化剂技术领域,特别涉及一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂的制备方法。
背景技术
随着环境的恶化,人类越来越关注清洁能源。电解水析氢和析氧被认为是一种较好的能源获取方式,这种方式只需要简单的设备,所以可以被广泛的应用,许多不同类型的能源都可以驱动它,如太阳能、风能、潮汐能等可再生能源,但电解水析氢和析氧的效率一直是制约其发展的重要原因,其中析氧反应由于其较难发生四电子转移反应,制约着析氢和总反应效率的提升。理论上OH-离子在阳极上被氧化的电位是1.23V(标准氢电位),一系列的材料都已被应用在阳极上,但绝大部分都具有一个较高的过电位,这就导致了较低的电解水效率和能源利用率。其中,氧化钇和氧化铷具有较小的过电位和较好的稳定性,但由于其在地球上较少的储藏量和较高的价格,所以就难以在工业上被大范围的应用,所以发展便宜且高效的电解水析氧催化剂是一个非常重要且具有挑战性的任务。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提出一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂的制备方法。
本发明所提供的技术方案是:
一种高性能电解水析氧催化剂的制备方法,包含以下步骤:
(1)将一定含量的硫脲、镍盐、铁盐和葡萄糖溶解于去离子水当中,并将上述混合溶液用搅拌机搅拌,将一定浓度的强碱溶液逐滴加入上述处于搅拌状态的混合溶液,强碱溶液滴加结束后继续搅拌;
(2)将步骤(1)中所得混合溶液装入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,将反应釜加热一段时间后自然冷却,将反应釜所得内混合溶液过滤并用去离子水漂洗滤渣直至中性,将所得滤渣在惰性氛围下煅烧,之后自然冷却,将煅烧后的产物进行研磨,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
作为优选,步骤(1)中镍盐为Ni(NO3)2、NiSO4、NiCl2或C4H6O4Ni;所述的铁盐为Fe(NO3)3、Fe(NO3)2、Fe2(SO4)3、FeCl3、FeCl2、C4H6FeO4或K3[Fe(CN)6];所述的硫脲、镍盐、铁盐和葡萄糖的摩尔比为10-40:1:1:10-40,其中镍盐、铁盐的摩尔量分别以镍离子和铁离子的摩尔量计算,在去离子水中溶解后形成的混合溶液中葡萄糖的质量分数为5-10%。
作为优选,步骤(1)中的强碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠碱性较强的溶质所形成的水溶液,加入的量与硫脲的摩尔比为1-4:1。
作为优选,步骤(1)中搅拌机的搅拌速度为50-1200转/分钟,在加入碱溶液完毕后,继续搅拌0.1-2小时。
作为优选,步骤(2)中混合溶液在反应釜中的反应温度为100-220℃,反应时间为1-48小时。
作为优选,步骤(2)中惰性氛围为氮气、氩气、氦气或真空。
作为优选,步骤(2)中煅烧温度为800-1500℃,煅烧时间为1-4小时。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的高性能电解水析氧催化剂在较低的电位下就可以达到较高的电流密度,且所需原料价格低廉,制备方便,具有较大的经济效益。
(2)本发明制备的催化剂具有较好的电解水析氧催化性能;其在20mA/cm2的电流密度下,连续工作约50小时后,电位变化约30mV,性能较为稳定。
附图说明
图1为本发明制备的含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂的X射线衍射谱图(XRD);
图2为本发明制备的含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂在旋转圆盘电极上测得的极化曲线;
图3为本发明制备的含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂涂敷在1cm2的泡沫镍上边稳定性测试。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述,以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解,从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1:
一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂,包括如下步骤:
(1)将2.5g葡萄糖、1.1g硫脲、0.56g九水硝酸铁和0.40g六水硝酸镍溶解于50ml的去离子水中,将上述混合溶液在磁力搅拌机上以600转/分钟的速度旋转20分钟,之后配置10g质量分数为6%的氢氧化钠溶液,将10g氢氧化钠溶水液缓慢滴加入处于旋转状态的葡萄糖、硫脲、硝酸铁、硝酸镍的混合溶液,加入完成之后继续搅拌1小时;
(2)将步骤(1)中的混合溶液加入聚四氟乙烯内衬的反应釜中并在鼓风干燥箱中加热到180℃,之后保温20小时后结束,自然冷却到室温,将反应釜中的溶液抽滤,并用去离子水将滤渣抽滤至中性,将滤渣收集之后干燥;将干燥之后的滤渣移入管式炉;以5ml/分钟的速度通入氮气30分钟后,以5℃/分钟的升温速度升温至800℃,保温2小时后以6℃/分钟的降温速度降至500℃,之后自然降温,取出样品,用玛瑙研钵研磨样品,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
实施例2:
一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂,包括如下步骤:
(1)将5g葡萄糖、2.28g硫脲、1.12g九水硝酸铁和0.72g六水硝酸镍溶解于50ml的去离子水中,将上述混合溶液在磁力搅拌机上以600转/分钟的速度旋转20分钟,之后配置10g质量分数为12%的氢氧化钠水溶液,将10g氢氧化钠溶液滴加入处于旋转状态的葡萄糖、硫脲、硝酸铁、硝酸镍的混合溶液,加入完成之后继续搅拌1h;
(2)将步骤(1)中的混合溶液加入聚四氟乙烯内衬的反应釜中并在鼓风干燥箱中加热到180℃,之后保温20h后结束,自然冷却到室温,将反应釜中的溶液抽滤,并用去离子水将滤渣抽滤至中性,将滤渣收集之后干燥;将干燥之后的滤渣移入管式炉;以5ml/分钟的速度通入氮气30分钟后,以5℃/分钟的升温速度升温至800℃,保温2小时后以6℃/分钟的降温速度降至500℃,之后自然降温,取出样品,用玛瑙研钵研磨样品,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
实施例3:
一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂,包括如下步骤:
(1)将5g葡萄糖、2.28g硫脲、1.12g九水硝酸铁和0.72g六水硝酸镍溶解于50ml的去离子水中,将上述混合溶液在磁力搅拌机上以600转/分钟的速度旋转20分钟,之后配置20g质量分数为24%的氢氧化钠水溶液,将20g氢氧化钠的水溶液滴加入处于旋转状态的葡萄糖、硫脲、硝酸铁、硝酸镍的混合溶液,加入完成之后继续搅拌1小时;
(2)将步骤(1)中的混合溶液加入聚四氟乙烯内衬的反应釜中并在鼓风干燥箱中加热到180℃,之后保温20小时后结束,自然冷却到室温,将反应釜中的溶液抽滤,并用去离子水将滤渣抽滤至中性,将滤渣收集之后干燥;将干燥之后的滤渣移入管式炉;以5ml/分钟的速度通入氮气30分钟后,以5℃/分钟的升温速度升温至800℃,保温2小时后以6℃/分钟的降温速度降至500℃,之后自然降温,取出样品,用玛瑙研钵研磨样品,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
实施例4:
一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂,包括如下步骤:
(1)将5g葡萄糖、2.28g硫脲、1.12g九水硝酸铁和0.72g六水硝酸镍溶解于50ml的去离子水中,将上述混合溶液在磁力搅拌机上以600转/分钟的速度旋转20分钟,之后配置10g质量分数为12%的氢氧化钠水溶液,将10g氢氧化钠溶液滴加入处于旋转状态的葡萄糖、硫脲、硝酸铁、硝酸镍的混合溶液,加入完成之后继续搅拌1h;
(2)将步骤(1)中的混合溶液加入聚四氟乙烯内衬的反应釜中并在鼓风干燥箱中加热到200℃,之后保温10h后结束,自然冷却到室温,将反应釜中的溶液抽滤,并用去离子水将滤渣抽滤至中性,将滤渣收集之后干燥;将干燥之后的滤渣移入管式炉;以5ml/分钟的速度通入氮气30分钟后,以5℃/分钟的升温速度升温至800℃,保温2小时后以6℃/分钟的降温速度降至500℃,之后自然降温,取出样品,用玛瑙研钵研磨样品,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
实施例5:
一种含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂,包括如下步骤:
(1)将5g葡萄糖、2.28g硫脲、1.12g九水硝酸铁和0.72g六水硝酸镍溶解于50ml的去离子水中,将上述混合溶液在磁力搅拌机上以600转/分钟的速度旋转20分钟,之后配置10g质量分数为12%的氢氧化钠水溶液,将10g氢氧化钠溶液滴加入处于旋转状态的葡萄糖、硫脲、硝酸铁、硝酸镍的混合溶液,加入完成之后继续搅拌1h;
(2)将步骤(1)中的混合溶液加入聚四氟乙烯内衬的反应釜中并在鼓风干燥箱中加热到180℃,之后保温20h后结束,自然冷却到室温,将反应釜中的溶液抽滤,并用去离子水将滤渣抽滤至中性,将滤渣收集之后干燥;将干燥之后的滤渣移入管式炉;以5ml/分钟的速度通入氮气30分钟后,以5℃/分钟的升温速度升温至1000℃,保温2小时后以6℃/分钟的降温速度降至500℃,之后自然降温,取出样品,用玛瑙研钵研磨样品,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
分别对实施例1-5中制备得到的高性能电解水析氧催化剂的性能进行测试,结果见表1。
表1本发明的制备方法得到的高性能电解水析氧催化剂的性能测定
由表1可知,本发明的得到的高性能电解水析氧催化剂具有较好的起始电位和较好的塔菲尔斜率,说明其动力学过程较为迅速,在相同电位下具有较高的电流密度,其较析氧材料较好的氧化铱催化剂具有明显的优势。
由图1可知,图1底部的垂直线为标准PDF卡片JCPDS no.86-2470所对应的的特征峰,从图中可以看出样品的特征峰与标准PDF卡片中的特征峰吻合较好,JCPDS no.86-2470所对应的的物质是Fe5Ni4S8,所以其制备出的样品中含有Fe5Ni4S8晶体。
由图2中可知,本发明所制备的实施例2样品与氧化铱(IrO2)催化剂的极化电流曲线的比较,在相同电流密度下具有较低的过电位,也即需要较小的电压,说明本发明制备的催化剂具有较好的电解水析氧催化性能。
从图3中可以看到,在20mA/cm2的电流密度下,连续工作约50小时后,电位变化约30mV,性能较为稳定。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,包含以下步骤:
(1)将一定含量的硫脲、镍盐、铁盐和葡萄糖溶解于去离子水当中,并将上述混合溶液用搅拌机搅拌,将一定浓度的强碱溶液逐滴加入上述处于搅拌状态的混合溶液,强碱溶液滴加结束后继续搅拌;
(2)将步骤(1)中所得混合溶液装入聚四氟乙烯内衬的反应釜中,将反应釜加热一段时间后自然冷却,将反应釜所得内混合溶液过滤并用去离子水漂洗滤渣直至中性,将所得滤渣在惰性氛围下煅烧,之后自然冷却,将煅烧后的产物进行研磨,即得含Fe5Ni4S8晶体的高性能电解水析氧催化剂。
2.根据权利要求1所述的高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中镍盐为Ni(NO3)2、NiSO4、NiCl2或C4H6O4Ni;所述的铁盐为Fe(NO3)3、Fe(NO3)2、Fe2(SO4)3、FeCl3、FeCl2、C4H6FeO4或K3[Fe(CN)6];所述的硫脲、镍盐、铁盐和葡萄糖的摩尔比为10-40:1:1:10-40,其中镍盐、铁盐的摩尔量分别以镍离子和铁离子的摩尔量计算,在去离子水中溶解后形成的混合溶液中葡萄糖的质量分数为5-10%。
3.根据权利要求1所述的高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中的强碱溶液为氢氧化钾或氢氧化钠碱性较强的溶质所形成的水溶液,加入的量与硫脲的摩尔比为1-4:1。
4.根据权利要求1所述的高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中搅拌机的搅拌速度为50-1200转/分钟,在加入碱溶液完毕后,继续搅拌0.1-2小时。
5.根据权利要求1所述的高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中混合溶液在反应釜中的反应温度为100-220℃,反应时间为1-48小时。
6.根据权利要求1所述的高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中惰性氛围为氮气、氩气、氦气或真空。
7.根据权利要求1所述的高性能电解水析氧催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中煅烧温度为800-1500℃,煅烧时间为1-4小时。
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