CN108554413B - 一种三维多级结构高分散镍基电催化材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维多级结构高分散镍基电催化材料及其制备方法，该方法以泡沫镍为导电基体并提供反应所需要的镍源，以尿素为沉淀剂，以氟化铵为刻蚀剂，在泡沫镍骨架结构表面原位生长NiAl‑LDH/NF前体，通过离子交换法，将阴离子H2PO4 ‑，B(OH)4 ‑引入到水滑石层间，含该阴离子的水滑石中间体，高温还原后得到具有三维多级结构的高分散镍基材料；其化学式为NiY‑Al2O3/NF，其中Y为P或B中的一种。该材料用于碱性条件下的电催化析氧反应，当电流密度达到10mA·cm‑2时，析氧反应过电位在270～190mV。当该材料用于碱性条件下5‑羟甲基糠醛选择性电催化氧化反应时，转化率和选择性分别达到92～100％和95～100％，证明该材料适合做电催化材料。
Description
技术领域
本发明属于无机纳米材料催化领域，涉及电催化剂制备技术，具体涉及一种具有三维多级结构的高分散镍基电催化材料及其制备方法，该催化剂用于水的电催化析氧反应及生物质分子的电催化氧化反应。
技术背景
随着全球能源需求量的增加以及化石资源的过度消耗，使得能源危机和环境污染问题日益严重。为了实现生态及经济的可持续发展，寻求和开发新的可持续能源就显得尤为重要了。目前太阳能、风能、氢能、生物质能都是较为有应用前景的可再生能源。其中，氢气作为最佳清洁能源备受关注，被各个国家列入国家能源战略计划，因而氢气生产和利用所涉及的电解水制氢和光解水制氢研究也成为当今科研工作者的研究热点。相比于光解水制氢反应，电解水制氢效率更高，受自然环境变化影响小，更利于实现规模化生产。电解水的过程涉及两个半反应，析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)和析氧反应(oxygen evolution reaction，OER)，其中析氧反应是一个动力学缓慢的过程，限制了整个电解水速率，需要高效稳定的催化剂来促进析氧反应进行。到目前为止，大量电催化材料被设计和合成出来用于提高电催化材料的析氧反应活性，这其中尤其以贵金属钌和铱的氧化物电催化材料的性能最为优异，然而其昂贵的价格和来源的稀缺性限制了大规模应用。因此设计和开发具有优异催化性能、价格低廉的电催化材料，提高电催化析氧反应活性，对于实现高效电解水制氢具有重要的现实意义和实际应用价值。
过渡金属材料因其结构和组成的可调变性和多样性，相对较高的电催化活性以及低廉的价格，在能源转化与存储领域的开发和应用与日俱增。目前过渡金属氧化物、金属硫化物、金属硼化物、金属磷化物等均表现出较好的电催化析氢及析氧活性，这其中尤以镍基、钴基材料研究的最为深入。在文献Angew.Chem.2016,128,1-6中，Sun等人用次磷酸钠作为磷源，采用高温磷化的方法在泡沫镍表面制备Ni2P纳米颗粒，相较于二维纳米材料来说，催化剂的三维结构特性能够暴露更多的活性位点，从而具有较高的电催化析氧性能，且在5-羟甲基糠醛(HMF)氧化制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)反应中体现了高的催化活性和选择性，但该方法制备的磷化物，金属元素种类单一，且高温磷化过程容易造成纳米颗粒的烧结和团聚，不利于活性位点的充分暴露，从而影响催化剂的电催化活性的充分发挥。
层状双金属氢氧化物又称水滑石(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)，是一种典型的阴离子型层状纳米材料。LDHs的结构通式为：[M1-x 2+Mx 3+(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O，其中M2+、M3+分别表示位于层板上的二价和三价金属阳离子，An-表示层间可交换的阴离子。水滑石独特的晶体结构，使得层板上的金属离子按照一定的方式均匀分布，且层板金属元素组成和比例、层板电荷密度、层间阴离子种类等均具有可调变性。通过调变层板的金属元素的组成，层间阴离子的种类和数量，控制材料的形貌等方式获得系列性能优异的功能材料，在诸多领域，尤其是在催化领域有着广泛的应用，但水滑石本身导电能力较差，因而限制了其在电催化反应中性能的充分发挥。在文献J.Am.Chem.Soc.2013,135,8452-8455中，Dai等人将镍铁水滑石高度均匀分散在碳纳米管表面，利用碳纳米管优异的导电性能，克服了水滑石材料本身导电能力差的缺点，获得了高性能的复合电催化材料用于水的电催化析氧反应。粉体电催化材料在实际应用过程中，往往需要引入粘结剂，从而影响催化材料活性位点的暴露，同时繁琐的涂覆过程，提高了催化剂的成本，可重复性差，限制了其大规模的商业化生产。如何利用水滑石纳米材料层间阴离子的可交换性，研发新的简单、通用的方法制备高性能的具有三维多级结构的高分散纳米电催化材料，提高其在电解水中的性能，具有重要的理论和实际意义，也是目前该领域研究的热点和难点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有方法在制备镍基电催化材料方面存在的导电性差、活性组分易团聚、活性位点少的缺点，提供一种三维多级结构高分散镍基电催化材料及其制备方法，以提升材料的电催化活性。
本发明提供的三维多级结构高分散镍基电催化材料，表示为NiY-Al2O3/NF，Y代表P或B元素，其中NiY以合金颗粒的形式均匀分散在Al2O3纳米片状结构表面，颗粒大小为5～20nm；Al2O3以片状结构垂直于泡沫镍骨架表面，片状大小为300～800nm，厚度约为10～20nm；Al2O3起到阻隔和锚定颗粒的作用，防止颗粒团聚。泡沫镍骨架、纳米片、颗粒构成一种三维多级结构，这种结构利于电化学中电解液的扩散和电子传输。
本发明所提供的制备方法，是利用水滑石层板元素组成比例、层间阴离子的可调变性，先在泡沫镍(NF)表面原位生长垂直于基体的片状水滑石前体，再通过离子交换将功能性的阴离子引入到水滑石层间，在氢气气氛条件下还原，构筑具有三维多级结构的高分散镍基电催化材料。
本发明提供的三维多级结构高分散镍基电催化材料的制备方法如下：
A.在反应容器中加入浓度为0.025～0.25mol/L的硝酸铝溶液，将预处理好的泡沫镍片垂直浸入到上述溶液超声15～30min；再加入尿素、氟化铵，超声2～5min；在隔绝空气条件下于100～180℃反应6～48h，在泡沫镍片上原位生长得到镍铝水滑石，表示为NiAl-LDH/NF。
所述的硝酸铝溶液中尿素的加入量为尿素/硝酸铝摩尔比值10～20；氟化铵的加入量以混合后溶液中氟化铵的浓度为0.2～0.3mol/L计；所述的反应容器是内衬聚四氟乙烯、玻璃或玻璃钢。
所述的预处理好的泡沫镍片是将市售的泡沫镍剪成合适大小的片，用丙酮超声除去表面油污，再用2～6mol/L的盐酸浸泡除去泡沫镍表面的氧化膜，真空条件下烘干备用。
B.将步骤A得到的NiAl-LDH/NF置于反应容器中；滴加浓度为0.5～1.0mol/L的含H2PO4 -或B(OH)4 -的盐溶液，至溶液pH为3～5，在60～100℃条件下反应2～24h，整个过程在氮气氛围条件下进行，冷却至室温，取出泡沫镍片，并依次用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到H2PO4 -或B(OH)4 -阴离子插层的镍铝水滑石即NiAl-H2PO4 --LDH/NF、NiAl-B(OH)4 --LDH/NF中间体；
C.将步骤B中得到的NiAl-H2PO4 --LDH/NF、NiAl-B(OH)4 --LDH/NF中间体置于管式气氛炉中，在氢气气氛条件下以5～10℃/min的升温速率升温至500～700℃并保温2～5h，自然冷却，得到相应的具有三维多级结构的高分散镍基电催化材料，表示为NiY-Al2O3/NF，其中Y代表P或B。
对所得三维多级结构的高分散镍基电催化材料进行表征，结果如图1-5所示。
图1给出了实施例1得到的NiP-Al2O3/NF材料的XRD谱图，从图中可以看出，该材料除了出现对应于泡沫镍中金属镍的特征衍射峰外，还出现了对应于Ni2P的特征衍射峰，未出现Al2O3的特征衍射峰，说明Al2O3以无定型的形式存在。
图2给出了实施例1得到的NiP-Al2O3/NF材料的扫描图，从图中可以看出片状大小为300～800nm，厚度为10～20nm的二维纳米片结构垂直生长于泡沫镍的骨架表面，同时粒径大小为10～15nm的Ni2P纳米颗粒高度均分分散在片状结构上，说明该材料具有三维多级结构。
图3给出了实施例2得到的NiB-Al2O3/NF材料的透射电镜图，从图中可以看出，粒径大小为5～8nm的NiB纳米粒子高度均匀分散在片状结构表面。
图4给出了实施例3得到的NiP-Al2O3/NF材料的透射电镜图，从图中可以看出，粒径大小为10～20nm的Ni2P纳米颗粒高度均匀分散在片状结构表面。
图5给出了实施例4得到的NiP-Al2O3/NF材料的线性扫描伏安曲线图，当加入5-羟甲基糠醛后，反应体系的电催化析氧电位显著降低，当电流密度为10mA·cm-2时，析氧反应过电位为193mV，加入0.3mmol的5-羟甲基糠醛后，过电位进一步降低至182mV。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明提供的NiY-Al2O3/NF的制备方法，未见文献报道。特别是通过离子交换法引入功能性阴离子H2PO4 -，B(OH)4 -，经过高温还原，将Ni2+和H2PO4 -，B(OH)4 -直接还原为NiP或NiB合金，P、B元素能够调节金属镍的电子状态，影响催化性能。
(2)本发明制备的NiY-Al2O3/NF具有独特的结构特点，原位生长的水滑石片状结构垂直于泡沫镍骨架表面，形成的NiP或NiB颗粒均匀分散在纳米片状结构，形成三维多级结构。还原过程中形成的无定型Al2O3，起到阻隔和锚定颗粒的作用，防止颗粒团聚。
(3)本发明制备的NiY-Al2O3/NF适合用作电催化电极材料，应用于析氧反应和5-羟甲基糠醛选择性催化氧化反应，能够有效降低过电位，具有优异的催化活性。
附图说明
图1为实施例1制备的NiP-Al2O3/NF电催化材料的XRD谱图。
图2为实施例1制备的NiP-Al2O3/NF电催化材料的SEM谱图。
图3为实施例2制备的NiB-Al2O3/NF电催化材料的TEM谱图。
图4为实施例3制备的NiP-Al2O3/NF电催化材料的TEM谱图。
图5为实施例4制备的NiP-Al2O3/NF电催化材料的氧化反应极化曲线。
具体实施方式
实施例1
泡沫镍的预处理：将市售的泡沫镍剪成1cm×2cm大小，浸润在20mL的丙酮中，超声处理15min，除去表面油污，水洗3次，每次5min，洗去丙酮；用2mol/L的HCl浸泡5min，除去泡沫镍表面的氧化膜，之后水洗3次，每次2min，洗去Cl-，真空条件下烘干备用。
A.用80mL去离子水配制浓度为0.03mol/L的硝酸铝盐溶液，转移至100mL聚四氟乙烯内胆中，将预处理好的泡沫镍片垂直浸入到上述溶液，超声处理30min；随后依次加入0.05mol尿素，0.02mol氟化铵，超声处理2min，将聚四氟乙烯内胆密闭后装入高压釜，于180℃反应12h，待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到原位生长的镍铝水滑石NiAl-LDH/NF。
B.将得到的NiAl-LDH/NF置于150mL去离子水的三口瓶中；配制浓度为1.0mol/L的NaH2PO4的盐溶液，并逐滴滴加到三口瓶中，滴至溶液pH至4，随后在60℃条件下反应12h，整个过程在氮气氛围条件下进行。待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到NiAl-H2PO4 --LDH/NF。
C.得到的NiAl-H2PO4 --LDH/NF置于管式气氛炉中，在氢气气氛条件下以5℃/min的升温速率升温至600℃并保温3h，待自然冷却至室温，得到相应的具有三维多结构的高分散镍基电催化材料NiP-Al2O3/NF，催化剂中Ni2P的粒径大小在10～15nm之间。
实施例2
将市售的泡沫镍按照实施例1进行预处理。
A.用80mL去离子水配制浓度为0.03mol/L的硝酸铝盐溶液，转移至100mL聚四氟乙烯内胆中，将预处理好的泡沫镍片垂直浸入到上述溶液，超声处理30min；随后依次加入0.08mol尿素，0.02mol氟化铵，超声处理2min，将聚四氟乙烯内胆密闭后装入高压釜，于150℃反应12h，待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到原位生长的镍基水滑石NiAl-LDH/NF。
B.将得到的NiAl-LDH/NF置于150mL去离子水的三口瓶中；配制浓度为0.5mol/L的H3BO3溶液，并逐滴滴加到三口瓶中，滴至溶液pH至4.5，随后在90℃条件下反应12h，整个过程在氮气氛围条件下进行。待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到NiAl-B(OH)4 --LDH/NF。
C.得到的NiAl-B(OH)4 --LDH/NF置于管式气氛炉中，在氢气气氛条件下以10℃/min的升温速率升温至600℃并保温3h，待自然冷却至室温，得到相应的具有三维多结构的高分散镍基电催化材料NiB-Al2O3/NF，催化剂中NiB的粒径大小在5～8nm之间。
实施例3
将市售的泡沫镍按照实施例1进行预处理。
A.用80mL去离子水配制浓度为0.03mol/L的硝酸铝盐溶液，转移至100mL聚四氟乙烯内胆中，将预处理好的泡沫镍片垂直浸入到上述溶液，超声处理30min；随后依次加入0.08mol尿素，0.025mol氟化铵，超声处理2min，将聚四氟乙烯内胆密闭后装入高压釜，于120℃反应12h，待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到原位生长的镍基水滑石NiAl-LDH/NF。
B.将得到的NiAl-LDH/NF置于150mL去离子水的三口瓶中；配制浓度为0.8mol/L的NaH2PO4溶液，并逐滴滴加到三口瓶中，滴至溶液pH至3.5，随后在90℃条件下反应12h，整个过程在氮气氛围条件下进行。待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到NiAl-H2PO4 --LDH/NF。
C.得到的NiAl-H2PO4 --LDH/NF置于管式气氛炉中，在氢气气氛条件下以5℃/min的升温速率升温至700℃并保温3h，待自然冷却至室温，得到相应的具有三维多结构的高分散镍基电催化材料NiP-Al2O3/NF，催化剂中Ni2P的粒径大小在10～20nm之间。
实施例4
将市售的泡沫镍按照实施例1进行预处理。
A.用80mL去离子水配制浓度为0.05mol/L的硝酸铝盐溶液，转移至100mL聚四氟乙烯内胆中，将预处理好的泡沫镍片垂直浸入到上述溶液，超声处理30min；随后依次加入0.08mol尿素，0.025mol氟化铵，超声处理2min，将聚四氟乙烯内胆密闭后装入高压釜，于150℃反应24h，待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到原位生长的镍基水滑石NiAl-LDH/NF。
B.将得到的NiAl-LDH/NF置于150mL去离子水的三口瓶中；配制浓度为0.8mol/L的NaH2PO4溶液，并逐滴滴加到三口瓶中，滴至溶液pH至4.5，随后在90℃条件下反应12h，整个过程在氮气氛围条件下进行。待冷却至室温后，分别用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到NiAl-H2PO4 --LDH/NF。
C.得到的NiAl-H2PO4 --LDH/NF置于管式气氛炉中，在氢气气氛条件下以10℃/min的升温速率升温至600℃并保温3h，待自然冷却至室温，得到相应的具有三维多结构的高分散镍基电催化材料NiP-Al2O3/NF，催化剂中Ni2P的粒径大小在8～12nm之间。
应用例
将实施例1-4制备的镍基催化剂用于析氧反应和5-羟甲基糠醛氧化反应，测定其电催化性能。
测试方法是：采用三电极体系，以制备的镍基催化剂为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，1cm×1cm Pt片为对电极，以1.0mo/L KOH为电解液。析氧反应：将30mL KOH加入H型电解槽中，密闭完全，通入氮气除气15min，搅拌速度1000rpm，测试温度25℃，测定析氧极化曲线。HMF电催化氧化反应：将0.3mmol 5-羟甲基糠醛、30mL电解液加入H型电解槽中，密闭完全，通入氮气除气15min，反应过程中，搅拌速度为1000rpm，反应温度25℃，反应时间3h。反应前先测定极化曲线。反应结束后，将反应液过滤使用岛津高效液相色谱仪进行检测，测定HMF的转化率和FDCA的选择性，结果见表1。
表1系列镍基催化剂对析氧反应和5-羟甲基糠醛电催化氧化性能评价
注：过电位是电流密度在10mA·cm-2下测定的。
由表1可知，该方法所制备的系列镍基催化剂在水的析氧反应中，当电流密度达到10mA·cm-2时，析氧反应过电位在270～190mV，过电位显著低于文献报道结果。当应用于5-羟甲基糠醛选择性氧化反应中，过电位进一步降低，5-羟甲基糠醛的转化率和2,5-呋喃二甲酸的选择性分别可达92～100％和95～100％，证明所得系列镍基电催化材料在析氧反应和生物质选择性氧化方面具有很高的催化活性，说明该方法所制备的镍基催化剂能够有效降低析氧过电位，提高催化反应速率，是很好的电催化材料。
Claims (2)
1.一种三维多级结构高分散镍基电催化材料的制备方法，具体步骤如下：
A.在反应容器中加入浓度为0.025～0.25mol/L的硝酸铝溶液，将预处理好的泡沫镍片垂直浸入到上述溶液超声15～30min；再加入尿素、氟化铵，超声2～5min；在隔绝空气条件下于100～180℃反应6～48h，在泡沫镍片上原位生长得到镍铝水滑石，表示为NiAl-LDH/NF；
所述的硝酸铝溶液中尿素的加入量为尿素/硝酸铝摩尔比值10～20；氟化铵的加入量以混合后溶液中氟化铵的浓度为0.2～0.3mol/L计；所述的反应容器是内衬聚四氟乙烯的反应釜、玻璃反应器或玻璃钢反应器；
所述的预处理好的泡沫镍片是将市售的泡沫镍剪成合适大小的片，用丙酮超声除去表面油污，再用2～6mol/L的盐酸浸泡除去泡沫镍表面的氧化膜，真空条件下烘干备用；
B.将步骤A得到的NiAl-LDH/NF置于反应容器中；滴加浓度为0.5～1.0mol/L的含H2PO4 -或B(OH)4 -的溶液，至溶液pH为3～5，在60～100℃条件下反应2～24h，整个过程在氮气氛围条件下进行，冷却至室温，取出泡沫镍片，并依次用去离子水和乙醇清洗3次，烘干得到H2PO4 -或B(OH)4 -阴离子插层的镍铝水滑石即NiAl-H2PO4 --LDH/NF、NiAl-B(OH)4 --LDH/NF中间体；所述的含H2PO4 -或B(OH)4 -的溶液为NaH2PO4或H3BO3的水溶液；
C.将步骤B中得到的NiAl-H2PO4 --LDH/NF、NiAl-B(OH)4 --LDH/NF中间体置于管式气氛炉中，在氢气气氛条件下以5～10℃/min的升温速率升温至500～700℃并保温2～5h，自然冷却，得到相应的具有三维多级结构的高分散镍基电催化材料，表示为NiY-Al2O3/NF，其中Y代表P或B。
2.一种根据权利要求1所述的方法制备的三维多级结构高分散镍基电催化材料，表示为NiY-Al2O3/NF，Y代表P或B元素，其中NiY以合金颗粒的形式均匀分散在Al2O3纳米片状结构表面，颗粒大小为5～20nm；Al2O3以片状结构垂直于泡沫镍骨架表面，片状大小为300～800nm，厚度为10～20nm；Al2O3起到阻隔和锚定颗粒的作用，防止颗粒团聚；泡沫镍骨架、纳米片、颗粒构成一种三维多级结构，这种结构利于电化学中电解液的扩散和电子传输。
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- 2018-04-11 CN CN201810320864.XA patent/CN108554413B/zh active Active
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