CN114941151B - 一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂及其制备方法，属于无机催化材料技术领域。这种Ni基水氧化催化剂先通过水热反应生成Sc‑NiAlO x H y ，再经恒电流活化得到催化剂EC‑Sc‑NiAlO x H y 。所制备的催化剂呈彼此交错的片状，紧密团抱成花状结构负载于泡沫镍基底上，分散程度高，结构稳定性良好。Sc3+﹑Al3+掺杂可以影响金属的电子结构和催化剂的形貌特征，提高催化剂的性能，该催化剂在1 M KOH溶液中电解仅需288 mV的过电位便可以达到10 mAcm‑2的电流密度。本发明的催化剂所选原料价格低廉，制备方法简单、易于控制及规模化，可作为一种优异的催化剂，应用于电催化水氧化的过程中。
Description
技术领域
本发明涉及无机催化材料技术领域，具体涉及一种用于电催化分解水的水氧化催化剂及其制备方法。
背景技术
目前能源危机是困扰人类社会最大的问题之一，能源危机不仅制约着人类社会经济的发展，同时也影响了人们最基本的生活条件。传统的化石能源不仅储量十分有限，而且对于环境的污染十分巨大，全球政府和人民都亟待构建出新的健康的可持续的能源系统。电解水是一种将电能转化为化学能的有效手段。在电解水反应中，水氧化过程是一个涉及到四个质子、四个电子转移的复杂反应，是水分解过程的瓶颈。水氧化催化剂的催化效率和稳定性直接影响水分解的进程。目前，RuO2和IrO2作为水氧化催化剂均表现出优异的水氧化反应（OER）催化活性，然而钌、铱等金属的价格昂贵，储量少等缺点，极大地限制了这类催化剂的大范围实际使用。因此，开发高效廉价、性能稳定的水氧化催化剂对电解水和电解水器件的制备至关重要。
镍基材料因其价格低廉、元素丰度高、强度高、延展性好、耐腐蚀性高、导热性好等优点，在电化学应用方面得到了广泛的研究。然而单纯的镍金属材料并不能提供很好的催化活性。在化学或自然系统中，氧化还原惰性金属离子M（M=Sc3+, Ca2+, Zn2+, Al3+）通常是一种必要或重要的成分，可以对高价金属氧合物的氧化还原电位和电子特性进行调节。如Mg2+、Ca2+和Zn2+分别在三磷酸腺苷、光系统II中的水氧化复合物和肽脱甲酰基酶中通过调节电子结构、激活活性位点发挥关键作用。在材料中掺杂氧化还原惰性金属可能会形成额外的活性位点，并与活性金属之间产生协同效应，从而调节活性金属的电子结构，提高催化剂的催化活性。
发明内容
基于上述内容，本发明通过环境友好﹑简单易行的方法，制备了一种Sc3+﹑Al3+掺杂的镍基水氧化催化剂，催化剂中Sc-NiAlO x H y 呈彼此交错的片状，紧密团抱成花状结构负载于泡沫镍基底上，增加了材料的电化学活性表面积，同时由于镍﹑铝﹑钪金属之间的协同作用，使得该材料作为水氧化催化剂时，具有优异的催化活性和稳定性。
本发明技术方案：一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的制备方法，包括如下步骤：
将泡沫镍加入到镍盐、铝盐、钪盐、尿素和氟化铵的混合溶液中，在高压釜内加热反应得到负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 复合材料。
将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 复合材料作为工作电极，铂电极作为对电极，Hg/HgO电极或者Ag/AgCl电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，恒电流活化得到Ni基水氧化催化剂EC-Sc-NiAlO x H y 。
一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂，采用所述的方法制备。
一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的应用，所述催化剂用于电催化分解水。
在一些具体实施方式中，镍盐﹑铝盐﹑钪盐的摩尔比为3：1：0.5~3。
在一些具体实施方式中，尿素的用量为镍盐﹑铝盐和钪盐总摩尔量的1.6-2.4倍。
在一些具体实施方式中，氟化铵用量为镍盐﹑铝盐和钪盐总摩尔量的1.6-2.4倍。
在一些具体实施方式中，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化活化10-15h。
在一些具体实施方式中，在高压釜内加热反应的温度为120-150℃，时间为10-18h。
在一些具体实施方式中，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍或者氯化镍，铝盐为硝酸铝、硫酸铝或者氯化铝，钪盐为硝酸钪。
在一些具体实施方式中，所述铂电极为铂丝或者铂网。
在一些具体实施方式中，泡沫镍用盐酸、乙醇、去离子水清洗和处理，真空干燥得到处理后的泡沫镍进行反应。
本发明的有益的效果：本发明提供的一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂及其制备方法具有以下优势：
1）与现有的NiOOH﹑NiAl-LDH催化剂相比，本方法制备的催化剂电化学活性表面积增加，能够更好地与电解液接触，进而促进物质的运输与传递；材料的导电性提高，电荷转移电阻变小，进一步提高了材料的电催化水氧化性能。
2）与现有技术相比，本发明提供的EC-Sc-NiAlOxHy催化剂合成简单，原料价格低廉，具有优异的水氧化性能和稳定性。在1M KOH电解液中，10 mA cm-2电流密度下过电位为288mV，且至少可保持100h稳定性。
附图说明
图1为实施例1制备的催化剂的扫描电镜图。
图2为实施例2制备的催化剂的透射电镜图。
图3为NiOOH﹑NiAl-LDH与实施例制备的催化剂的极线曲线对比图。
图4为NiOOH﹑NiAl-LDH与实施例1制备的催化剂的电化学阻抗图。
图5为实施例3制备的催化剂的稳定性测试图。
具体实施方案
下面结合附图以及具体实例对本发明做进一步详细描述，本发明中，没有特殊说明的情况下，表示浓度的M均代表mol/L，例如1M KOH表示1mol/L的KOH溶液。测试中用于性能对比的材料NiOOH和NiAl-LDH参照本领域的常用方法制备。
实施例1：EC-Sc1.5-NiAlO x H y
1)将泡沫镍（Ni foam, NF）剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2)将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，0.75mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于30 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3)将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在120℃恒温反应12小时。
4)水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5)将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10小时得到EC-Sc1.5-NiAlO x H y 。
实施例2：
1)将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2)将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，0.75mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于30 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3)将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在120℃恒温反应12小时。
4)水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5)将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化12小时得到EC-Sc-NiAlO x H y 。
实施例3：
1)将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2)将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，1mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于30 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3)将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在120℃恒温反应12小时。
4)水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5)将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化15小时得到EC-Sc-NiAlO x H y 。
实施例4：EC-Sc1-NiAlO x H y
1）将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2）将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，0.5mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于30 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3）将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在120℃恒温反应12小时。
4）水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5）将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10小时得到EC-Sc1-NiAlO x H y 。
实施例5：EC-Sc0.5-NiAlO x H y
1）将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2）将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，0.25mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于30 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3）将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在120℃恒温反应10小时。
4）水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5）将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10小时得到EC-Sc0.5-NiAlO x H y 。
实施例6：
1）将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2）将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，0.75mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于25 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3）将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在120℃恒温反应12小时。
4）水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5）将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10小时得到EC-Sc-NiAlO x H y 。
实施例7：
1）将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2）将1.5mmol硝酸镍，0.5mmol硝酸铝，0.75mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于35 ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3）将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在150℃恒温反应10小时。
4）水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5）将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10小时得到EC-Sc-NiAlO x H y 。
实施例8：
1）将NF剪裁为2*3cm，用3 mol/L盐酸浸泡10分钟，用乙醇超声处理15分钟，在去离子水中超声处理5分钟，最后真空干燥得到处理后的泡沫镍。
2）将1.5mmol氯化镍，0.5mmol氯化铝，0.75mmol硝酸钪，5mmol尿素和5mmol氟化铵溶于30ml去离子水中，在室温下磁力搅拌10分钟得澄清溶液，转移至50 ml聚四氟乙烯内衬中。
3）将步骤1处理好的泡沫镍加入反应内衬后，密封于高压釜内，在135℃恒温反应15小时。
4）水热反应结束后自然冷却，取出泡沫镍，用乙醇和去离子水分别冲洗3次，于真空烘箱内60℃干燥3小时得到Sc-NiAlO x H y 。
5）将负载于泡沫镍的Sc-NiAlO x H y 作为工作电极，铂丝电极作为对电极，Hg/HgO电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10小时得到EC-Sc-NiAlO x H y 。
实施例9：
EC-Sc-NiAlO x H y 催化剂的结构表征：
对实施例1制备的催化剂进行结构表征，通过FEI Nova NanoSEM 450场发射扫描电子显微镜（SEM）观察催化剂表面的微观形貌。测试样品的准备：在样品台将导电胶粘贴在载物盘上，然后将待测样品剪切为合适的大小粘贴在导电胶上，用氮气枪轻轻吹扫去除粘贴不牢靠的粉末。将样品台放入喷金仪进行喷金处理，增强样品的导电性，喷金结束后即可进样测试。由图1可观察到，实施例1制备的EC-Sc-NiAlO x H y 催化剂呈彼此交错的片状，紧密团抱成花状结构负载于泡沫镍基底上，结构分散程度较高，有利于电极材料与电解液的接触，为水氧化催化反应提供了更大的活性表面积。
通过FEI TF300透射电子显微镜（TEM）进一步观察实施例2制备的催化剂表面的结构特征。测试前需用锉刀将负载在泡沫镍上的催化剂刮取少量，充分研磨后倒入装满乙醇的小瓶中，在超声波振荡器内超声15 min以上，确保催化剂在溶剂中分散均匀，取少量溶液滴到铜网上即可进样测试。如图2所示，可观察到EC-Sc-NiAlO x H y 催化剂纳米片状结构十分明显，与SEM测试结果相符。
EC-Sc-NiAlO x H y 催化剂的电化学测试：
本实施例所有的电化学测试均在室温（25℃）条件下通过CHI760E电化学工作站进行。测试采用三电极体系装置，在1 M KOH碱性介质（PH=13.6）中，待测试材料电极作为工作电极（催化剂浸入液面面积为1cm2），铂丝电极作为对电极，Hg/ HgO电极作为参比电极（0.098V vs. RHE，可逆氢电极），对制得的催化剂进行电化学性能测试。
对实施例1、实施例4和实施例5制备的催化剂、NiOOH和NiAl-LDH进行线性伏安扫描曲线（LSV）：以 5 mV s-1的扫描速率在0.9-1.7 Vvs.RHE电压范围内进行线性伏安扫描测试。测试过程中，溶液电阻、液接电阻等影响引起的电压降会导致测得的LSV极化曲线性能下降，故进行90%iR补偿，各个电极在指定电流密度下（10 mA cm-2）的过电势能够反映对应催化剂的OER催化活性。如图3所示，EC-Sc-NiAlO x H y 与NiOOH和NiAl-LDH相比，具有更好的催化活性，当Ni﹑Al﹑Sc投料比为3：1：1.5时，性能最佳。
对实施例1制备的催化剂、NiOOH和NiAl-LDH进行电化学阻抗(EIS)测试：测试电压为1.53 Vvs.RHE(开路电压)，测试频率为10-2~105Hz。通过Zview电化学阻抗拟合软件模拟等效电路推导出电荷转移电阻的大小。Nyquist图中圆弧半径越小，表明电荷转移电阻越小，电子转移速率越快。由图4可知，与NiOOH﹑NiAl-LDH对比样品相比，实施例1制备的EC-Sc-NiAlO x H y 具有更快的电子转移速率。
对实施例3制备的催化剂进行电化学稳定性测试：采用计时电位法，在10 mAcm-2电流密度下探究电压随时间的变化情况。电压稳定的时间越长，说明电极材料的稳定性越好。如图5所示，在10 mAcm-2的电流密度下，电解100 h后，电位无明显的波动，说明该催化剂稳定性良好。
Claims (7)
1.一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将泡沫镍加入到镍盐、铝盐、钪盐、尿素和氟化铵的混合溶液中，在高压釜内加热反应得到负载于泡沫镍的Sc-NiAlOxHy复合材料；将负载于泡沫镍的Sc-NiAlOxHy复合材料作为工作电极，铂电极作为对电极，Hg/HgO电极或者Ag/AgCl电极作为参比电极，以1 M KOH溶液作为电解液，恒电流活化得到Ni基水氧化催化剂EC-Sc-NiAlOxHy；
尿素的用量为镍盐﹑铝盐和钪盐总摩尔量的1.6~2.4倍；
氟化铵用量为镍盐﹑铝盐和钪盐总摩尔量的1.6~2.4倍；
镍盐﹑铝盐﹑钪盐的摩尔比为3：1：1.5。
2.根据权利要求1所述的一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的制备方法，其特征在于：在高压釜内加热反应的温度为120-150℃，时间为10-18 h。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的制备方法，其特征在于：在10 mA cm-2电流密度下恒电流活化10 ~15 h。
4.根据权利要求1-2任意一项所述的一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的制备方法，其特征在于：所述铂电极为铂丝或者铂网。
5.根据权利要求1-2任意一项所述的一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的制备方法，其特征在于：所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍或者氯化镍，铝盐为硝酸铝、硫酸铝或者氯化铝，钪盐为硝酸钪。
6.一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂，其特征在于：采用权利要求1所述的方法制备。
7.根据权利要求6所述的一种Sc3+﹑Al3+掺杂的Ni基水氧化催化剂的应用，其特征在于：所述催化剂用于电催化分解水。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015021019A1 (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-12 | Brookhaven Science Associates, Llc | Metal nitride catalysts for promoting hydrogen evolution reaction |
| CN109417183A (zh) * | 2016-07-08 | 2019-03-01 | 圣安德鲁斯大学董事会 | 用于从钙钛矿金属氧化物生产电极催化剂的方法 |
| CN109952272A (zh) * | 2016-10-21 | 2019-06-28 | 科勒研究有限公司 | 金属氧化物纳米晶体的制备方法及其用于水氧化的用途 |
| CN110860292A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-03-06 | 南京航空航天大学 | 一种用于析氧反应的阳离子共掺杂钙钛矿催化剂及其制备方法 |
| CN112410818A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-26 | 陕西科技大学 | 一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法 |
| WO2021226119A1 (en) * | 2020-05-04 | 2021-11-11 | University Of Delaware | An anion exchange membrane electrolyzer having a platinum-group-metal free self-supported oxygen evolution electrode |
-
2022
- 2022-04-25 CN CN202210437744.4A patent/CN114941151B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015021019A1 (en) * | 2013-08-05 | 2015-02-12 | Brookhaven Science Associates, Llc | Metal nitride catalysts for promoting hydrogen evolution reaction |
| CN109417183A (zh) * | 2016-07-08 | 2019-03-01 | 圣安德鲁斯大学董事会 | 用于从钙钛矿金属氧化物生产电极催化剂的方法 |
| CN109952272A (zh) * | 2016-10-21 | 2019-06-28 | 科勒研究有限公司 | 金属氧化物纳米晶体的制备方法及其用于水氧化的用途 |
| CN110860292A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-03-06 | 南京航空航天大学 | 一种用于析氧反应的阳离子共掺杂钙钛矿催化剂及其制备方法 |
| WO2021226119A1 (en) * | 2020-05-04 | 2021-11-11 | University Of Delaware | An anion exchange membrane electrolyzer having a platinum-group-metal free self-supported oxygen evolution electrode |
| CN112410818A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-02-26 | 陕西科技大学 | 一种用于全解水的铬铝共掺杂镍基氢氧化物自支撑电极及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Methanation of CO2: Impacts of modifying nickel catalysts with variable-valence additives on reaction mechanism;Chuanfei Liang等;《FUEL》;第254卷(第2019期);全文 * |
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