CN112108160A - 一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法 - Google Patents

一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,能解决贵金属电极材料价格昂贵、稳定性差等问题;步骤为:将六水合硝酸钴、二甲基咪唑、甲醇混合,在室温下搅拌得ZIF‑67;将所得材料、六水合硝酸镍、乙醇混合,在室温下搅拌得到CoNi‑LDH;将所得材料、硒粉采用化学气相沉积法进行硒化处理得到(Co,Ni)Se2/C;将所得硒化物、七水合硫酸亚铁采用化学水浴沉积法得到(Co,Ni)Se2/C@FeOOH。本发明设计了一种简便化学水浴沉积法制备出中空笼状纳米结构钴镍基硒化物/羟基氧化铁复合材料,该材料在析氧反应中表现了较低的过电位和良好的稳定性等优异的电化学性能。

Description

一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制 备方法
技术领域
本发明涉及新能源材料与电化学储能领域,具体的说涉及一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂及其制备方法。
背景技术
为应对世界能源危机及气候变化,电解水制氢被认为是开发清洁、可持续新能源的一种有效策略,制氢领域受到了全世界越来越多的关注。一般来说,电解水过程分为阴极发生的析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction,HER) 和阳极发生的析氧反应(OxygenEvolution Reaction,OER),由于析氧反应的四电子过程,阳极上析氧反应的动力学普遍较慢,需要比在阴极上的析氢反应高几倍的过电位,这成为了电解水制氢领域的瓶颈,开发具有低过电位、高活性、长效稳定、经济有效的析氧催化剂变得尤为重要。尽管铂、钌、铱基材料被认为是析氧反应的最先进的电催化剂,但它们的稀缺性、高成本、稳定性差使它们不适合大规模应用。因此,开发高效、低成本、储量丰富和具有良好稳定性的催化剂尤为重要。
在过去几年里,研究过渡族金属化合物作为替代贵金属族催化剂,已经凸显优势。在各种非贵金属金属电催化剂中,镍基和钴基硒化物在强碱性电解液中具有良好的腐蚀稳定性和较高的本征电子导电性,能促进电催化过程中的电荷转移,具有良好的本征催化活性。例如,Chen等人报道了一种基于镍钴双金属金属有机框架材料(标记为NiCoSe/C)合成碳包覆共掺杂硒化镍纳米材料的新方法,得到的催化剂在碱性条件下对OER和HER均表现出高效的催化活性。铁基材料由于其天然的丰富性、低成本、开放的结构和环境友好性,是一种很有吸引力的电化学水氧化催化剂。然而,羟基氧化铁作为催化剂的利用往往受到其较差的OER动力学和传质能力的阻碍。尽管Chen等人报道的新方法取得了很大进展,但在合成路线和结构优化方面还需要进一步的发展,才能开发出具有高活性和稳定性的实际应用。在大多数情况下,镍/钴基催化剂的高过电位主要是由于对含氧中间体(*O,*OH,*OOH)的吸附能力较弱。单独羟基氧化铁导电性较差,但对含氧中间体的强吸附特性使其成为镍/钴基复合材料的理想代偿物。
因此,提供一种合成路线合理且具有优异性能的钴镍基催化剂及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种合成路线合理且具有优异性能的钴镍基催化剂的制备方法;本发明设计了一种简便化学水浴沉积法,将(Co,Ni)Se2/C笼状纳米结构和非晶态FeOOH超细纳米颗粒复合在一起。其中(Co,Ni)Se2/C笼状纳米结构衍生于一种钴基金属有机框架(ZIF-67),ZIF-67经过与Ni2+离子交换后得到空心结构的CoNi-LDH,然后经过化学气相沉积法硒化,得到相应的硒化物,结果显示获得的复合结构(Co,Ni)Se2/C@FeOOH催化剂的催化性能得到显著增强。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备钴基金属有机框架材料:将六水合硝酸钴和二甲基咪唑分别溶于无水甲醇中;将两种溶液剧烈搅拌混合均匀后,再将混合液离心洗涤,然后进行真空干燥,得到钴镍基金属有机框架材料;
(2)制备钴镍层状双金属氢氧化物材料:将钴基金属有机框架材料超声分散于无水乙醇中,然后加入六水合硝酸镍并搅拌均匀,离心并洗涤后,真空干燥,得到钴镍层状双金属氢氧化物材料;
(3)钴镍层状双金属氢氧化物硒化处理:将钴镍层状双金属氢氧化物材料取和硒粉分别放置在管式加热炉的不同位置,在惰性气体环境中,升温至 350~450℃,维持2~3h,得到硒化物材料
(4)制备羟基氧化铁修饰复合材料:将硒化物材料均匀分散在去离子水中进行超声处理后,加入七水合硫酸亚铁搅拌均匀;然后将溶液加热并进行二次搅拌,再进行洗涤后,得到羟基氧化铁修饰复合材料。
进一步,上述步骤(1)中六水合硝酸钴与二甲基咪唑质量比为1.7~2.0: 1.9~2.1;所述六水合硝酸钴的质量与无水甲醇的体积比为 1.7~2.0(g):120-180(ml);
所述二甲基咪唑的质量与无水甲醇的体积比为1.9~2.1(g):120-180(ml);
更进一步,上述步骤(1)中搅拌速率为1200~1500r/min,搅拌温度为室温条件,搅拌时间为8~12h;
离心速率为4000~6000r/min,离心时间30~40min;
采用上述进一步的有益效果在于:制备大小均匀的纳米颗粒。
优选的,六水合硝酸钴与二甲基咪唑的摩尔比优选为1:4,即六水合硝酸钴与二甲基咪唑的质量比为1.74:1.97;
上述优选方案制备的材料颗粒大小均匀,呈菱形十二面体结构。
进一步,上述步骤(2)中钴基金属有机框架材料与六水合硝酸镍的质量比为3~5:8~12。
所述钴基金属有机框架材料的质量与无水乙醇的体积比为3~5(mg):2-4 (ml);
更进一步,上述步骤(2)中搅拌速率为1200~1500r/min,搅拌温度为室温条件,搅拌时间为2-5h;
离心速率为4000~6000r/min,离心时间30~40min;
采用上述进一步的有益效果在于:本发明上述步骤能将菱形十二面体纳米结构掏空。
优选的,上述步骤(2)中:钴基金属有机框架材料的质量与无水乙醇的体积比为4(mg):2.5(ml);
钴基金属有机框架材料与六水合硝酸镍的质量比为4:10;搅拌时间为4h;
上述优选方案所制备的材料较薄且保持笼状纳米结构不破裂。
进一步,上述步骤(1)或步骤(2)中真空干燥温度为70℃,干燥时间为8~10h。
进一步,上述步骤(3)中钴镍层状双金属氢氧化物材料和硒粉的质量比为1~1.5:5~7.5;
所述硒粉放置在管式加热炉的上游侧,惰性气体为氩气,管式加热炉升温速率为2℃min-1
采用上述进一步的有益效果在于:上述操作步骤可使镍钴层状双金属氢氧化物材料硒化均匀。
优选的,步骤(3)中钴镍层状双金属氢氧化物材料和硒粉的质量比为1:5;
采用化学气相沉积法进行硒化处理;
升温温度为400℃,升温速率为2℃min-1,维持时间为2h;
进一步,上述步骤(4)中硒化物材料和七水合硫酸亚铁的质量比为 1:0.25-1。
更进一步,上述步骤(4)中第一次搅拌速率为600-1200r/min,搅拌时间为15-30min;
第二次搅拌速率为600-1200r/min,搅拌时间为1-2h,搅拌温度为50℃;
采用上述进一步的有益效果在于:本发明上述操作可以使钴镍基硒化物上羟基氧化铁沉积均匀。
优选的,上述步骤(4)中采用化学水浴沉积技术在钴镍基硒化物上沉积制备羟基氧化铁;
化学水浴沉积技采用的水浴温度为50℃;硒化物和七水合硫酸亚铁比例优选为1:0.375、1:0.625、1:0.875,最优选为1:0.625。
进一步,上述步骤(1)、步骤(2)或步骤(4)中所述洗涤方法为:采用去离子水和酒精分别洗涤2~5次。
本发明上述技术方案,可采用简单的化学水浴法制备羟基氧化铁修饰的复合材料,进而改善其析氧反应能力及稳定性,是一种简单易操作、制备周期短和环保无污染,可用于替代贵金属催化剂大规模制备电极材料的方法。
上述步骤(2)或步骤(4)中超声时间均为30~40min。
具体的本发明的有益效果在于:
(1)本发明采用化学水浴沉积技术实现羟基氧化铁对钴镍基硒化物材料的修饰来进一步提高其OER性能,并且还优选通过采用环境友好和低成本的离子交换法制备钴镍层状双金属氢氧化物前驱体。本发明提供了实际可行的羟基氧化铁修饰钴镍基硒化物方法来获得高效析氧电催化材料,能有效降低成本。
本发明通过羟基氧化铁修饰得到的复合材料析氧性能有效提升。本发明采用离子交换法制备具有笼状空心结构的钴镍层状双金属氢氧化物材料前驱体,更具体地说,笼状纳米结构的形成涉及溶解、再生长过程,并且整个扩散过程可归因于柯肯达尔效应。在开始时,ZIF-67被蚀刻,释放出钴离子,并且由于溶解步骤比再生速率快得多,因此纳米结构逐渐被破坏。当ZIF-67 核心完全溶解时,产生中空的CoNi-LDH笼状纳米结构,该纳米结构整体的继承菱形十二面体结构。通过控制离子交换反应时长,保持钴镍层状双金属氢氧化物前驱体笼状纳米结构形貌,使得钴镍层状双金属氢氧化物前驱体具有较大的比表面积,暴露更多的活性位点,从而确保析氧性能的提升效果,并且,本发明钴镍层状双金属氢氧化物前驱体制备方法成本低廉。
(2)本发明优选通过控制铁源浓度来控制羟基氧化铁与钴镍基硒化物的比例来调节其析氧性能。羟基氧化铁过多或者过少都不利于析氧中间步骤的吸附脱附,对催化性能的提升将造成负面影响。本发明制备羟基氧化铁的水浴时间优选为1h,并且当铁源与钙钛矿氧化物的比例优选为1:0.625时,得到的羟基氧化铁修饰的镍钴基硒化物催化剂性能最好。且采用简单的化学水浴法制备羟基氧化铁明显改善钴镍基硒化物的析氧催化性能,大大降低成本,满足商业化需求。
由于钴镍基催化剂的高过电位主要是由于对含氧中间体(*O,*OH, *OOH)的吸附能力较弱,而Fe基材料吸附含氧中间体的能力较强,因此,本发明制备的羟基氧化铁修饰的复合材料能够优化了吸附含氧中间体的能力,使得对反应中的含氧中间体吸附的能力适中,既不太强也不太弱,适用于复合催化反应中时可提高其催化性能。
综上,本发明采用简单的化学水浴法制备羟基氧化铁对钴镍基硒化物进行修饰来改善析氧反应能力及稳定性,相应也给出了羟基氧化铁修饰的钴镍基硒化物高效析氧催化剂及其制备方法。
本发明是一种简单易操作、制备周期短和环保无污染,可用于替代贵金属催化剂大规模制备电极材料的方法。本发明得到了羟基氧化铁修饰的钴镍基硒化物高效析氧催化剂,当羟基氧化铁与钴镍基硒化物的比例为1:0.625时,其析氧催化剂的性能最好。
附图说明
图1是本发明钴镍基催化剂材料的制备原理图;
图2是本发明实施例2中制备所得钴镍基催化剂材料的XRD图;
图3是本发明实施例2中制备所得钴镍基催化剂材料的SEM图;
图5是本发明实施例2中制备所得钴镍基催化剂材料的TEM图;
图4是本发明实施例2中制备所得钴镍基催化剂材料的EDS能谱图;
图6是本发明实施例1、实施例2和实施例3中制备所得钴镍基催化剂材料的OER性能图;
图7是本发明实施例中制备所得钴镍基催化剂材料在电流密度10mA cm-2下进行14h的计时电位测量图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种钴镍基催化剂材料的制备方法,按以下步骤实现:
(1)制备钴基金属有机框架材料:将1.74g六水合硝酸钴和1.97g二甲基咪唑分别溶于150ml的无水甲醇中;然后将两种溶液在室温剧烈搅拌下10h 混合,搅拌频率1200r/min,最后离心并用去离子水和无水乙醇,分别洗涤3 次并在70℃下真空干燥10h得到钴基金属有机框架材料;
(2)制备钴镍层状双金属氢氧化物材料:称取40mg钴基金属有机框架材料并超声分散在50mL的无水乙醇中,然后快速加入100mg六水合硝酸镍并在室温下搅拌4h,离心并用无水乙醇洗涤,最后在真空中70℃干燥10h 得到钴镍层状双金属氢氧化物材料;
(3)钴镍层状双金属氢氧化物硒化处理:将钴镍层状双金属氢氧化物材料取50mg和250mg硒粉放置在管式加热炉的两个不同位置,其中硒粉放置在管式加热炉的上游侧,在氩气环境中,升温至400℃,升温速率为2℃min-1,再维持2h,得到硒化物材料;
(4)制备羟基氧化铁修饰复合材料:将硒化物材料取40mg均匀分散在去离子水中,超声处理30min,然后在上述溶液中加入15mg七水合硫酸亚铁搅拌15min,搅拌速率900r/min。将混合后的溶液加热至50℃并在充分搅拌下保持并搅拌1h,搅拌速率900r/min,反复用去离子水和乙醇洗涤3次后,得到最终产物。
实施例2:
本实施例与实施例1的不同之处在于将25mg七水合硫酸亚铁加入溶液搅拌,其他参数及具体实施步骤与实施例1相同。
实施例3:
本实施例与实施例1的不同之处在于将35mg七水合硫酸亚铁加入溶液搅拌,其他参数及具体实施步骤与实施例1相同。
图1为制备(Co,Ni)Se2/C@FeOOH)的流程图。
上述步骤1至步骤4可制备得到(Co,Ni)Se2/C@FeOOH)。作为对比,不进行步骤4,仅进行步骤1至步骤3,可得到(Co,Ni)Se2/C。仅进行步骤1至步骤 2,可得到CoNiLDH。仅进行步骤1,可得到ZIF-67。
图2为实施例2所制备的(Co,Ni)Se2/C@FeOOH)、(Co,Ni)Se2/C、CoNi LDH、ZIF-67的XRD图,从图中可以看出本发明所制备的 (Co,Ni)Se2/C@FeOOH)、(Co,Ni)Se2/C、CoNiLDH、ZIF-67都是纯相,且 (Co,Ni)Se2/C@FeOOH)、(Co,Ni)Se2/C在不同的2θ角所有的衍射峰都一样,这表明所制备的FeOOH为非晶层。
图3为实施例2所制备的(Co,Ni)Se2/C@FeOOH的SEM图及EDS能谱图;
图4为实施例2所制备的(Co,Ni)Se2/C的SEM图及EDS能谱图,从图中可以看出本发明所制备的(Co,Ni)Se2/C里面含有Co、Ni、Se、C、O元素,而(Co,Ni)Se2/C@FeOOH里面除了含有Co、Ni、Se、C、O元素外,还含有Fe 元素,这说明通过化学水浴沉积的方法成功的在钴镍基硒化物上制备了羟基氧化铁。
图5为实施例2所制备的(Co,Ni)Se2/C@FeOOH的TEM图,从图中可以看出本发明成功的制备了中空笼状纳米结构羟基氧化铁修饰的钴镍基硒化物材料。
图6是本发明实施例不同比例制备的(Co,Ni)Se2/C@FeOOH对比 (Co,Ni)Se2/C、FeOOH在1600转下的OER性能图;从图中可以看出羟基氧化铁修饰的钴镍硒化物(Co,Ni)Se2@FeOOH明显的提高了析氧催化性能,从图中我们明显的看出,羟基氧化铁修饰的钴镍硒化物催化剂的析氧能力明显优于纯的钴镍基硒化物和纯的羟基氧化铁催化剂,具体表现为在电流密度为10mA cm-1羟基氧化铁修饰的钴镍硒化物催化剂的电势明显小于纯的钴镍基硒化物和纯的羟基氧化铁催化剂的电势,并且电流密度明显高于纯的钴镍基硒化物和纯的羟基氧化铁催化剂,这表明羟基氧化铁的修饰明显改善了钴镍基硒化物的催化性能使其析氧能力得到提高。
图7为实施例2所制备的(Co,Ni)Se2/C@FeOOH采用计时电位法测试了在电流密度10mAcm-2下的稳定性表现。可见该材料具有良好的稳定性,及优异的电催化性能,具有一定的商业化潜力。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)制备钴基金属有机框架材料:将六水合硝酸钴和二甲基咪唑分别溶于无水甲醇中;将两种溶液剧烈搅拌混合均匀后,再将混合液离心,然后进行真空干燥,得到钴基金属有机框架材料;
(2)制备钴镍层状双金属氢氧化物材料:将钴基金属有机框架材料超声分散于无水乙醇中,然后加入六水合硝酸镍并搅拌均匀,离心并洗涤后,真空干燥,得到钴镍层状双金属氢氧化物材料;
(3)钴镍层状双金属氢氧化物硒化处理:将钴镍层状双金属氢氧化物材料和硒粉分别放置在管式加热炉的不同位置,在惰性气体环境中,升温至350~450℃,维持2~3h,得到硒化物材料;
(4)制备羟基氧化铁修饰复合材料:将硒化物材料均匀分散在水中进行超声处理后,加入七水合硫酸亚铁搅拌均匀;然后将溶液加热并进行二次搅拌,再进行洗涤后,得到羟基氧化铁修饰复合材料。
2.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述六水合硝酸钴与二甲基咪唑质量比为(1.7~2.0):(1.9~2.1)。
3.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述搅拌速率为1200~1500r/min,搅拌温度为室温条件,搅拌时间为8~12h。
4.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述钴基金属有机框架材料与六水合硝酸镍的质量比为(3~5):(8~12)。
5.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述搅拌速率为1200~1500r/min,所述搅拌温度为室温条件,搅拌时间为2-5h。
6.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)或步骤(2)中所述真空干燥温度为60~70℃,干燥时间为8~10h。
7.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述钴镍层状双金属氢氧化物材料和硒粉的质量比为(1~1.5):(5~7.5);
所述硒粉放置在管式加热炉的上游侧;
所述惰性气体为氩气;
所述管式加热炉的升温速率为2℃min-1
8.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(4)中所述硒化物材料和七水合硫酸亚铁的质量比为1:(0.25-1)。
9.根据权利要求1所述一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)、步骤(2)或步骤(4)中所述洗涤方法为:采用去离子水和无水乙醇分别洗涤2~5次。
10.一种十二面体中空钴镍硒化物/羟基氧化铁复合催化剂,其特征在于,由权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到。
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