CN110219013A - 一种自支撑氮修饰镍铁氢氧化物的电极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自支撑氮修饰镍铁氢氧化物的电极材料，其制备方法包括下列步骤：通过清洗，制备泡沫镍前驱体；制备硝酸铁硝酸镍水溶液；3)制备NiFe LDH前驱体：将步骤1)处理好的泡沫镍和步骤2)制备好的硝酸铁硝酸镍水溶液转移到水热反应釜里，在100‑130℃下保温一段时间，制得NiFe LDH前驱体；制备氮修饰的NiFe LDH：将步骤3)制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置氨水作为氮源，氨水与NiFe LDH通过金属网格隔开，在90‑105℃下保温一段时间，制得电极材料。

Description

一种自支撑氮修饰镍铁氢氧化物的电极材料
技术领域
本发明涉及一种在泡沫镍上直接生长镍铁氢氧化物，并在低温下进行氮修饰，属于纳米材料的制备技术领域。
背景技术
随着工业化的发展，对能源的需求越来越大。化石燃料的燃烧对生态环境造成了极大的污染，研究和发展清洁能源变得愈发重要，为了获得清洁、可再生的能源系统，近年来，由析氢反应和析氧反应组成的电催化分解水受到了研究者们的广泛关注，获得高活性的电催化材料是十分必要的。传统的催化剂材料如用于析氢反应的Pt/C和用于析氧反应的RuO2或IrO2均表现出较高的催化活性，然而这些材料催化功能单一，且储量稀少、价格昂贵，无法进行大规模应用。因此，研究和开发高效、低成本的双功能催化剂材料已刻不容缓。
过渡族金属元素，如钼(Mo)基、钴(Co)基、镍铁(NiFe)基等，具有储量丰富、价格低廉、催化活性高等特点，其中环境友好的NiFe基材料被认为是最有前途的催化剂之一。此外，由于Fe的引入，NiFe层状双金属氢氧化合物(LDH)具有更多的活性位点和更高的析氧反应活性，从而优化了电子结构，加速了电荷转移。例如，近年来被广泛报道的NiFe LDH空心纳米笼、纳米片材和纳米球，但是其析氢反应性能还有待提升，虽然可以通过引入其它元素调节电子结构、构建非均相结构，或者引入缺陷等手段来提高NiFe基材料的电催化活性，但其电催化性能尚不令人满意，因此，如何提高析氢反应和析氧反应的活性，提高整体分解水的性能，是一个迫切需要解决的问题。
研究表明，掺入N原子可以提高还原反应的性能，是提高NiFe-LDH电催化性能的方法，然而，传统的引入氮原子的方法是在高温下进行固态或气态氮源掺杂，很容易将水合物的结构转化为NiFe氧化物，其性能优于NiFe水合物，但析氧反应性能较差，所以如何在掺入N原子的同时，保持NiFe LDH的结构成为研究难点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种在泡沫镍上生长NiFe LDH、并在低温下进行氮修饰的方法，该方法过程简单、成本低廉、可控性好，得到的氮修饰NiFe LDH纳米片分布均匀、比表面积大，适合工业化生产。技术方案如下：
一种自支撑氮修饰镍铁氢氧化物的电极材料，其制备方法包括下列步骤：
1)通过清洗，制备泡沫镍前驱体；
2)制备硝酸铁硝酸镍水溶液：将去离子水与Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)2·6H2O按照摩尔比(50-100):(1.5-2.5):1的比例混合均匀，配成硝酸铁硝酸镍水溶液；
3)制备NiFe LDH前驱体：将步骤1)处理好的泡沫镍和步骤2)制备好的硝酸铁硝酸镍水溶液转移到水热反应釜里，在100-130℃下保温一段时间，制得NiFe LDH前驱体。
4)制备氮修饰的NiFe LDH：将步骤3)制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置氨水作为氮源，氨水与NiFe LDH通过金属网格隔开，在90-105℃下保温一段时间，制得电极材料。
与现有技术相比，本发明方法具有以下优势：(1)利用泡沫镍为基体，镍铁硝酸盐提供镍铁源，采用简单水热的方法制备前驱体，简化了工艺流程，大大节约了成本；(2)采用水热反应釜作为氮修饰反应装置，设备简单，无需额外搭建设备；(3)所制备的氮修饰NiFeLDH分布均匀、可控性好，且制备过程和设备简单，易于实现工业化推广应用。
附图说明
图1为本发明预处理泡沫镍的SEM图像；
图2为本发明所制备镍铁氢氧化物SEM图像；
图3为本发明所制备的镍铁氢氧化物EDS元素分布图；
图4为本发明所制备氮修饰后镍铁氢氧化物SEM图像；
图5为本发明所制备氮修饰后镍铁氢氧化物EELS元素分布图；
图6为本发明所制备氮修饰后镍铁氢氧化物TEM图像；
图7为本发明所制备氮修饰前后镍铁氢氧化物及泡沫镍前驱体和Pt/C析氢性能对比图；
图8为本发明所制备氮修饰前后镍铁氢氧化物及泡沫镍前驱体和RuO2析氧性能对比图；
图9为为本发明所制备氮修饰后镍铁氢氧化物组建全解水及RuO2和Pt/C组建全解水性能对比图；
本发明未述及之处适用于现有技术。
具体实施方式
首先给出本发明的技术路线
一种自支撑氮修饰镍铁氢氧化物的电极材料，其制备方法包括下列步骤：
1)制备泡沫镍前驱体
选用厚度为0.3～3mm的泡沫镍，置于1MHCl溶液中超声15～30min，并用去离子水和乙醇反复清洗，随后在60～80℃下烘干，将泡沫镍裁剪成合适的尺寸备用。
2)制备硝酸铁硝酸镍水溶液
将去离子水与Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)2·6H2O按照摩尔比70:2:1的比例混合，先将去离子水和Fe(NO3)3·9H2O及Ni(NO3)2·6H2O配成硝酸铁硝酸镍水溶液，搅拌15～30min混合均匀。
3)制备NiFe LDH前驱体
将步骤1处理好的泡沫镍和步骤2制备好的硝酸铁硝酸镍水溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜里，在120℃下保温6～12h，制得NiFe LDH前驱体。
5)制备氮修饰的NiFe LDH
将步骤3制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置氨水作为氮源，氨水与NiFe LDH直接用铁丝网或者篦子隔开，在100℃下保温3～12h。
以下给出本发明制备方法的具体实施例。这些实施例仅用于详细说明本发明制备方法，并不限制本申请权利要求的保护范围。
实施例1
1)制备泡沫镍前驱体
选用厚度为1.5mm的泡沫镍，置于1M HCl溶液中超声15min，并用去离子水和乙醇反复清洗，随后在60℃下烘干，将泡沫镍裁剪成1×3cm2备用。
2)制备硝酸铁硝酸镍水溶液
将去70mL离子水与2mmol Fe(NO3)3·9H2O和1mmol Ni(NO3)2·6H2O配成混合，搅拌20min混合均匀。
3)制备铁镍氢氧化物前驱体
将步骤1处理好的泡沫镍和步骤2制备好的混合溶液转移到100mL的聚四氟乙烯内衬的水热反应釜里，在120℃下保温6h。
4)制备氮修饰的NiFe LDH
将步骤3制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置5mL氨水作为氮源，氨水与镍铁氢氧化物直接用铁丝网或者篦子隔开，在100℃下保温12h。
实施例2
1)制备泡沫镍前驱体
选用厚度为2mm的泡沫镍，置于1MHCl溶液中超声20min，并用去离子水和乙醇反复清洗，随后在70℃下烘干，将泡沫镍裁剪成1×3cm2备用。
2)制备硝酸铁硝酸镍水溶液
将去35mL离子水与1mmol Fe(NO3)3·9H2O和0.5mmol Ni(NO3)2·6H2O配成溶液，搅拌20min混合均匀。
3)制备NiFe LDH前驱体
将步骤1处理好的泡沫镍和步骤2制备好的混合溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜里，在120℃下保温6h。
4)制备氮修饰的NiFe LDH
将步骤3制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置5mL氨水作为氮源，氨水与NiFe LDH直接用铁丝网或者篦子隔开，在100℃下保温3h。
实施例3
1)制备泡沫镍前驱体
选用厚度为3mm的泡沫镍，置于1M HCl溶液中超声15min，并用去离子水和乙醇反复清洗，随后在80℃下烘干，将泡沫镍裁剪成1×2cm2备用。
2)制备硝酸铁硝酸镍水溶液
将去70mL离子水与2mmol Fe(NO3)3·9H2O和1mmol Ni(NO3)2·6H2O配成混合，先将去离子水和Fe(NO3)3·9H2O及Ni(NO3)2·6H2O配成溶液，搅拌30min混合均匀。
3)制备NiFe LDH前驱体
将步骤1处理好的泡沫镍和步骤2制备好的混合溶液转移到聚四氟乙烯内衬的水热反应釜里，在120℃下保温6h。
4)制备氮修饰的NiFe LDH
将步骤3制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置10mL氨水作为氮源，氨水与镍铁氢氧化物直接用铁丝网或者篦子隔开，在100℃下保温9h。

Claims (1)

1.一种自支撑氮修饰镍铁氢氧化物的电极材料，其制备方法包括下列步骤：
1)通过清洗，制备泡沫镍前驱体；
2)制备硝酸铁硝酸镍水溶液：将去离子水与Fe(NO3)3·9H2O和Ni(NO3)2·6H2O按照摩尔比(50-100):(1.5-2.5):1的比例混合均匀，配成硝酸铁硝酸镍水溶液；
3)制备NiFe LDH前驱体：将步骤1)处理好的泡沫镍和步骤2)制备好的硝酸铁硝酸镍水溶液转移到水热反应釜里，在100-130℃下保温一段时间，制得NiFe LDH前驱体。
4)制备氮修饰的NiFe LDH：将步骤3)制备好的NiFe LDH放到水热反应釜中，反应釜底端放置氨水作为氮源，氨水与NiFe LDH通过金属网格隔开，在90-105℃下保温一段时间，制得电极材料。
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