CN113529107B - 一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料及其制备方法 - Google Patents

一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料及其制备方法，该复合析氧催化材料包括两部分：银纳米线和钴镍合金，其中，钴镍合金生长在银纳米线表面。其制备方法包括：以硝酸银作为银源，采用溶剂热法制备银纳米线；将银纳米线与六水氯化钴、六水氯化镍通过多元醇法进行反应，最后进行热处理得到银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料。该银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料可应用在电催化分解水领域。本发明制备的银纳米线和钴镍合金复合材料结构均匀、制备过程简单、具有优异的电催化析氧性能，适合工业化大规模生产。

Description

一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料及其制备方法
技术领域
本发明属于析氧电催化领域，具体涉及一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料及其制备方法。
背景技术
来源于化石燃料的能源供应存在储量有限并且对环境有污染等问题。开发清洁、低成本、高效和可再生的能源是实现可持续发展的有效策略。其中，氢能以其持续、稳定、清洁和热值高等优势成为理想的能源载体。通过电催化水裂解产生H2和O2已被认为是大规模生产可再生能源的一种有效途径。电解水主要涉及两个半反应，即析氢和析氧，其中，析氧反应是一个四电子转移过程，动力学反应速率非常缓慢，因此需要开发高效稳定的析氧催化剂促进电解水过程。
目前，主要用作析氧电催化的材料是RuO2和IrO2贵金属氧化物，但其储量有限，价格高昂，这严重制约了其大规模应用。因此，开发廉价、高效、稳定性好的析氧电催化剂迫在眉睫。
本发明提出用过渡金属钴镍合金与银纳米线复合作为析氧催化材料。钴镍合金具有优异的电催化性能，在电催化领域得到广泛的关注，但是钴镍合金颗粒接触电阻数量较多，电流密度较低。而银纳米线具有优异的导电性，可有效促进界面电子转移，提高催化材料的电流密度。将钴镍合金生长在银纳米线表面，可有效降低接触电阻数量，在保证电催化活性的同时提高催化材料的电流密度。
发明内容
本发明的主要目的是为提供一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料及其制备方法，提高催化效率，提高电流密度，降低成本，提高稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料，包括银纳米线和钴镍合金两部分，钴镍合金生长在银纳米线表面，构成一维复合材料，该材料的析氧半波电位能够达到1.52V。
所述银纳米线的质量为析氧催化材料的25～33％，钴镍合金的质量为析氧催化材料的67～75％。
所述银纳米线的直径为40～100nm，钴镍合金直径为20～80nm。
本发明还提供了银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银、氯化铁溶解在乙二醇中，得到混合溶液；
2)将混合溶液转移至高压反应釜并放入烘箱，其温度逐渐升至120～150℃并保温6～10h，反应完成后，得到银纳米线；
3)将银纳米线经乙醇在离心机中洗涤数次，以去除多余的杂质；
4)在磁力搅拌下，将银纳米线分散在乙二醇中，加入六水氯化钴、六水氯化镍和氢氧化钠，得到混合物；
5)将混合物加热至150～200℃并回流3～8h；
6)将反应完成后的溶液用乙醇洗涤数次，以除去多余的杂质；
7)在40～80℃的干燥箱中干燥，得到松散的絮状物质；
8)将松散的絮状物质在氩气气氛下250～500℃热处理1～5h，升温速率为1～10℃/min，随后冷却至室温得到最终复合析氧催化材料。
优选地，步骤1)中硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1～1:2，氯化铁与硝酸银的配比为(1～2)mg:1g，乙二醇与硝酸银的配比为(0.25～0.5)L:1g。
优选地，步骤3)中离心的转速为3000～8000rpm，每次5～10min，离心1～3次。
优选地，步骤4)中六水氯化钴和六水氯化镍的质量为1:1～1:2，六水氯化钴与氢氧化钠的质量比为1:3～1:5，六水氯化钴与乙二醇的配比为(4～8)g:1L。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
本发明银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料可应用在电催化分解水领域；本发明利用银纳米线高的导电性来提高复合材料的导电性，同时利用钴镍合金优良的析氧催化性能来提高电催化效果；本发明通过在银纳米线表面生长钴镍合金，可有效降低接触电阻的数量，另一方面，钴镍合金在银纳米线表面的生长，可减少银纳米线与电解水过程中电解液的接触，提高稳定性；本发明将溶剂热法和多元醇法相结合，通过改变钴镍的含量，获得了较好的析氧电催化性能；本发明制备方法简单、生产成本低、后续处理简便并且无需复杂的合成设备。
附图说明
图1是实施例1制得的银纳米线和钴镍合金复合材料的XRD图；
图2是实施例1制得的银纳米线和钴镍合金复合材料的SEM图；
图3是实施例1制得的银纳米线和钴镍合金复合材料的析氧电催化剂的LSV图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
步骤一：0.3g的聚乙烯吡咯烷酮溶解到75ml乙二醇中，再加入0.2g硝酸银，搅拌均匀形成混合溶液。将浓度为0.0002g/mL的FeCl3乙二醇溶液向混合溶液中滴加1.5mL，搅拌5min，然后将溶液转移到高压反应釜中并放入烘箱，其温度逐渐升至130℃并保持8h。
步骤二：将步骤一中得到的银纳米线溶液依次通过乙醇进行2次离心洗涤，分散在40mL乙二醇中，形成银纳米线乙二醇溶液。将0.2g六水氯化钴、0.3g六水氯化镍和0.8g氢氧化钠加入银纳米线乙二醇溶液中，搅拌均匀。然后将溶液放入三颈瓶中加热至180℃回流5h。
步骤三：将步骤二中得到的银纳米线/钴镍合金溶液分散在乙醇中，洗涤数次将多余的杂质除去，然后在60℃的干燥箱中干燥6h，得到松散的絮状物质；
步骤四：将步骤三中松散的絮状物质在氩气气氛下400℃热处理4h，升温速率为5℃/min，随后冷却至室温得到最终复合析氧催化材料。
实施例2
步骤一：0.2g的聚乙烯吡咯烷酮溶解到50ml乙二醇中，再加入0.2g硝酸银，搅拌均匀形成混合溶液。将浓度为0.0002g/mL的FeCl3乙二醇溶液向混合溶液中滴加1.0mL，搅拌5min，然后将溶液转移到高压反应釜中并放入烘箱，其温度逐渐升至120℃并保持10h。
步骤二：将步骤一中得到的银纳米线溶液依次通过乙醇进行1次离心洗涤，分散在25mL乙二醇中，形成银纳米线乙二醇溶液。将0.2g六水氯化钴、0.2g六水氯化镍和0.6g氢氧化钠加入银纳米线乙二醇溶液中，搅拌均匀。然后将溶液放入三颈瓶中加热至150℃回流8h。
步骤三：将步骤二中得到的银纳米线/钴镍合金溶液分散在乙醇中，洗涤数次将多余的杂质除去，然后在40℃的干燥箱中干燥8h，得到松散的絮状物质；
步骤四：将步骤三中松散的絮状物质在氩气气氛下250℃热处理5h，升温速率为1℃/min，随后冷却至室温得到最终复合析氧催化材料。
实施例3
步骤一：0.4g的聚乙烯吡咯烷酮溶解到100ml乙二醇中，再加入0.2g硝酸银，搅拌均匀形成混合溶液。将浓度为0.0002g/mL的FeCl3乙二醇溶液向混合溶液中滴加2.0mL，搅拌5min，然后将溶液转移到高压反应釜中并放入烘箱，其温度逐渐升至150℃并保持6h。
步骤二：将步骤一中得到的银纳米线溶液依次通过乙醇进行3次离心洗涤，分散在50mL乙二醇中，形成银纳米线乙二醇溶液。将0.2g六水氯化钴、0.4g六水氯化镍和1.0g氢氧化钠加入银纳米线乙二醇溶液中，搅拌均匀。然后将溶液放入三颈瓶中加热至200℃回流3h。
步骤三：将步骤二中得到的银纳米线/钴镍合金溶液分散在乙醇中，洗涤数次将多余的杂质除去，然后在80℃的干燥箱中干燥4h，得到松散的絮状物质；
步骤四：将步骤三中松散的絮状物质在氩气气氛下500℃热处理1h，升温速率为10℃/min，随后冷却至室温得到最终复合析氧催化材料。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，为本发明实施例1所制备的银纳米线和钴镍合金复合析氧电催化材料的XRD图，从图中可以看出样品对应标准PDF卡片号为Ag 87-0718，Co 15-0806，Ni 01-1260，表明成功合成了银纳米线和钴镍合金复合材料。
参见图2，为本发明实施例1所制备的银纳米线和钴镍合金复合析氧电催化材料的SEM图，可以看出，钴镍合金纳米颗粒数量多，均匀分布在银纳米线表面，此结构有利于提高复合材料的导电性，提升电催化析氧性能。
参见图3，为本发明实施例1所制备的银纳米线和钴镍合金复合析氧电催化材料的LSV图，经过分析可知，电流密度为10mAcm-2时对应的过电位为290mV。
综上所述，本发明实施例提供的银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料结构均匀，具有良好的电催化析氧性能，而且制备方法简单、成本低廉、对环境无污染。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的构思范围内，可以对本发明的实验方案进行多种改变或优化。但这些改变或优化同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料，其特征在于，包括银纳米线和钴镍合金两部分，钴镍合金生长在银纳米线表面，构成一维复合材料，该材料的析氧半波电位能够达到1.52V。
2.根据权利要求1所述银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料，其特征在于，所述银纳米线的质量为析氧催化材料的25～33％，钴镍合金的质量为析氧催化材料的67～75％。
3.根据权利要求1所述银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料，其特征在于，所述银纳米线的直径为40～100nm，所述钴镍合金直径为20～80nm。
4.权利要求1至3任一项所述银纳米线和钴镍合金复合析氧催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银、氯化铁溶解在乙二醇中，得到混合溶液；
2)将混合溶液转移至高压反应釜并放入烘箱，其温度逐渐升至120～150℃并保温6～10h，反应完成后，得到银纳米线；
3)将银纳米线经乙醇在离心机中洗涤数次，以去除多余的杂质；
4)在磁力搅拌下，将银纳米线分散在乙二醇中，加入六水氯化钴、六水氯化镍和氢氧化钠，得到混合物；
5)将混合物加热至150～200℃并回流3～8h；
6)将反应完成后的溶液用乙醇洗涤数次，以除去多余的杂质；
7)在40～80℃的干燥箱中干燥，得到松散的絮状物质；
8)将松散的絮状物质在氩气气氛下250～500℃热处理1～5h，升温速率为1～10℃/min，随后冷却至室温得到最终复合析氧催化材料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:1～1:2，氯化铁与硝酸银的配比为(1～2)mg:1g，乙二醇与硝酸银的配比为(0.25～0.5)L:1g。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中离心的转速为3000～8000rpm，每次5～10min，离心1～3次。
7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中六水氯化钴和六水氯化镍的质量为1:1～1:2，六水氯化钴与氢氧化钠的质量比为1:3～1:5，六水氯化钴与乙二醇的配比为(4～8)g:1L。
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