CN113846343A - 一种镍钼碳化物电催化剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种棒条状镍钼碳化物的制备方法及应用。本发明采用水热法以及管式炉真空碳化技术,以三乙醇胺做碳源,对镍钼前驱体做碳化处理,成功在泡沫镍上制备了形状规则、清晰的棒条状镍钼碳化物。该镍钼碳化物的棒状结构增加了催化剂的活性位点。电化学测试表明,其在析氢、析氧方面均具有良好性能。因此,本发明作为双功能电催化剂在替代贵金属催化剂制取氢气、氧气方面具有潜在的应用前景。

Description

一种镍钼碳化物电催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及能源转换用催化电极领域,具体涉及一种棒状镍钼碳化物的制备方法及应用。
背景技术
煤、石油、天然气等不可再生能源的大量消耗,会使得人类逐渐面临能源短缺的问题,除此以外,这些化石燃料的大量消耗而带来的环境污染问题也在逐年加剧。为解决以上难题,发展以氢气等清洁能源作为化石燃料的替代资源成为当下研究趋势。制氢途径以电解水制取氢气较为简单,然而以贵金属作为电极材料催化剂又会使得其制氢成本过于昂贵,寻求价格低廉又性能优良的电极催化剂成为电催化领域的研究热点。
过渡族金属元素储量大,价格低廉在近几年得到深入的研究,其中包括金属硫化物、金属碳化物、金属磷化物以及包含两种及两种以上的过渡金属元素的电催化剂。研究表明,在众多种类电催化剂中,过渡金属碳化物尤其碳化钼因与贵金属铂具有相似的电子结构,表现出良好电催化活性。此外,碳化物来源广泛,价格低廉,不管是在酸性环境还是碱性环境均具有良好的耐腐蚀性,成为能够替代贵金属催化剂的选择之一。
从以上角度出发,设计出形貌良好,负载均匀的高效电催化剂替代贵金属催化剂具有重要的现实意义。
本发明旨在提供一种棒条状镍钼碳化物的制备方法及应用。
为了实现本发明的目的,采取的技术方案如下:
一种棒条状镍钼碳化物的制备方法,其特征在于,包括以下制备步骤:
(1)泡沫镍预处理:首先,将泡沫镍浸泡于0.5~1mol/L的盐酸中30min,之后,用无水乙醇反复冲洗;最后用去离子水洗涤得到干净的泡沫镍备用。
(2)镍钼盐溶液的配制:按照摩尔比1:(0.5~2):1称取六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)和尿素(CH4N2O),加入去离子水,在室温下搅拌均匀后将溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜内。
(3)前驱体的制备:步骤(1)中预处理过的泡沫镍放置于步骤(2)中聚四氟乙烯高压反应釜中,将反应釜置于电热鼓风干燥箱中,水热温度为100~140℃,水热反应时间为10~14h。
(4)水热反应结束,待反应釜自然冷却到室温后,取出泡沫镍,用去离子水和无水乙醇洗涤后在65~80℃下干燥8~12h,得到镍钼氧化物前驱体。
(5)三乙醇胺溶液的配制:配制体积分数为20~33%的三乙醇胺溶液。
(6)将步骤(1)中预处理的泡沫镍放于三乙醇胺溶液中,浸泡1~5min后取出,干燥箱中50~60℃干燥,干燥时间为30~60min,重复进行浸泡、干燥操作2~4次后在50~60℃下继续干燥10~12h得到负载有三乙醇胺的泡沫镍。
(7)管式炉真空退火碳化处理:将前驱体和负载三乙醇胺的泡沫镍依次放于瓷舟上,然后将瓷舟放入管式炉中,抽真空排除管式炉内空气,于500~600℃退火,保温3~5h,待冷却至室温取出前驱体即得到镍钼碳化物电极材料。
相比于现有技术,本发明所提供的制备方法具有的优势是:
(1)相比于传统的通入含碳混合气体对前驱体进行碳化,在真空条件下无需通入气体,节约气体资源,此外,在进行碳化处理时,真空环境相比流动气体而言能够更好维持前驱体形貌不发生破坏,降低样品氧化程度。
(2)三乙醇胺具有较高碳含量,本发明以三乙醇胺作为碳源,在管式炉高温真空环境下,成功将碳元素引入前驱体中并保持了前驱体棒状形貌,从而大大增加了催化剂的活性位点,提高了其催化性能。
附图说明
图1为本发明实施例一制备的生长在泡沫镍上的镍钼氧化物前驱体(XRD)图谱;
图2为本发明实施例一经过碳化处理的镍钼碳化物的XRD图谱。
图3为本发明实施例一制备的镍钼氧化物前驱体扫描电镜(SEM)图;
图4为本发明实施例一制备的镍钼碳化物扫描电镜(SEM)图;
图5为本发明实施例一、二、三制备的镍钼碳化物析氢线性扫描伏安(LSV)极化曲线测试图;
图6为本发明实施例一、二、三制备的镍钼碳化物析氧线性扫描伏安(LSV)极化曲线测试图;
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述,但不作为对本发明的限定。
实施例一:
将3×2cm2的泡沫镍置于盐酸中清洗30min,分别用无水乙醇和去离子水反复清洗。
称量0.2908g的硝酸镍、0.1766g的钼酸铵和0.06g尿素,加入30ml去离子水,室温下搅拌10min,得到均匀溶液。将溶液移入反应釜,在100℃下反应14h后逐步冷却至室温,得到棒条状镍钼氧化物前躯体样品。取出样品,用去离子水冲洗,放入鼓风干燥箱,在65℃下干燥12h。
量取5ml三乙醇胺,配制体积分数为25%的三乙醇胺溶液,搅拌15min,将3×2cm2的泡沫镍浸泡于三乙醇胺溶液1min,后放入鼓风干燥箱中50℃下干燥30min,重复上述浸泡、干燥过程2次,继续50℃下持续干燥12h,得到负载有三乙醇胺的泡沫镍。
将前驱体样品和负载有三乙醇胺的泡沫镍依次相邻放在瓷舟上,置于管式炉中,真空条件下,升温至500℃,保温5h后随炉冷却至室温,得到棒条状镍钼碳化物电极材料。
对实施例一进行电化学测试,以制备的镍钼碳化物电极片做工作电极,银/氯化银做参比电极,碳棒做对电极,电解质溶液为1M的KOH溶液。所得曲线进行IR补偿。其10mA/cm2的电流密度下的析氢、析氧过电位分别在56mV、125mV左右。
实施例二:将3×2cm2的泡沫镍置于盐酸中清洗30min,分别用无水乙醇与去离子水反复清洗。
称量0.3877g硝酸镍、0.1177g钼酸铵和0.08g尿素,加入30ml去离子水,室温搅拌10min,得到均匀溶液,移入反应釜,在120℃下反应12h后逐步冷却至室温,得到棒条状镍钼氧化物前躯体样品。取出样品,用去离子水冲洗,放入鼓风干燥箱,70℃下干燥10h。
称取10ml三乙醇胺,配制体积分数为33%的三乙醇胺溶液。搅拌15min,将3×2cm2的泡沫镍浸泡于三乙醇胺溶液3min,放入鼓风干燥箱中55℃下干燥30min,重复上述浸泡、干燥过程3次,继续55℃下干燥11h,得到负载有三乙醇胺的泡沫镍。
将前驱体样品和负载有三乙醇胺的泡沫镍依次相邻放在瓷舟上,置于管式炉中,真空条件下,升温至550℃,保温4h后随炉冷却至室温,得到棒条状镍钼碳化物电极材料。
对实施例二进行电化学测试,以制备的镍钼碳化物电极片做工作电极,银/氯化银做参比电极,碳棒做对电极,电解质溶液为1M的KOH溶液。所得曲线进行IR补偿。其10mA/cm2的电流密度下的析氢、析氧过电位分别在92mV、146mV左右。
实施例三:
将3×2cm2的泡沫镍置于盐酸中清洗30min,分别用无水乙醇与去离子水反复清洗。
称量0.1939g硝酸镍、0.2354g钼酸铵和0.04g尿素,加入30ml去离子水,室温搅拌10min,得到均匀溶液,移入反应釜,在140℃下反应10h后逐步冷却至室温,得到棒条状镍钼氧化物前躯体样品。取出样品,用去离子水冲洗,放入鼓风干燥箱,80℃下干燥8h。
称取5ml三乙醇胺,配制体积分数为20%的三乙醇胺溶液。搅拌15min,将3×2cm2的泡沫镍浸泡于三乙醇胺溶液5min,放入鼓风干燥箱中60℃下干燥60min,重复上述浸泡、干燥过程4次,继续60℃下干燥10h,得到负载有三乙醇胺的泡沫镍。
将前驱体样品和负载有三乙醇胺的泡沫镍依次相邻放在瓷舟上,置于管式炉中,真空条件下,升温至600℃,保温3h后随炉冷却至室温,得到棒条状镍钼碳化物电极材料。
对实施例三进行电化学测试,以制备的镍钼碳化物电极片做工作电极,银/氯化银做参比电极,碳棒做对电极,电解质溶液为1M的KOH溶液。所得曲线进行IR补偿。其10mA/cm2的电流密度下的析氢、析氧过电位分别在60mV、134mV左右。
最后应该说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种棒条状镍钼碳化物的制备方法,其特征在于,包括以下制备步骤:
(1)泡沫镍预处理:首先,将泡沫镍浸泡于0.5~1mol/L的盐酸中30min,之后,用无水乙醇反复冲洗;最后用去离子水洗涤得到干净的泡沫镍备用;
(2)镍钼盐溶液的配制:按照摩尔比1:(0.5~2):1称取六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)和尿素(CH4N2O),加入去离子水,在室温下搅拌均匀后将溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜内;
(3)前驱体的制备:步骤(1)中预处理过的泡沫镍放置于步骤(2)中聚四氟乙烯高压反应釜中,将反应釜置于电热鼓风干燥箱中,水热温度为100~140℃,水热反应时间为10~14h;
(4)水热反应结束,待反应釜自然冷却到室温后,取出泡沫镍,用去离子水和无水乙醇洗涤后在65~80℃下干燥8~12h,得到镍钼氧化物前驱体;
(5)三乙醇胺溶液配制:配制体积分数为20~33%的三乙醇胺溶液;
(6)将步骤(1)中预处理的泡沫镍放于三乙醇胺溶液中,浸泡1~5min后取出,干燥箱中50~60℃干燥,干燥时间为30~60min,重复进行浸泡、干燥操作2~4次后在50~60℃下继续干燥10~12h得到负载有三乙醇胺的泡沫镍;
(7)前驱体的管式炉真空退火碳化处理:将前驱体和负载三乙醇胺的泡沫镍依次放于瓷舟上,然后将瓷舟放入管式炉中,抽真空排除管式炉内空气,于500~600℃退火,保温3~5h,待冷却至室温取出前驱体即得到镍钼碳化物电极材料。
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