CN115125578B - 一种b-s共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法 - Google Patents

一种b-s共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种B‑S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，通过将镍源和钴源利用溶剂热法合成分层的镍钴前驱体固体球，并利用超声和微波联合法向分层的镍钴前驱体固体球中引入硼源和硫源，形成B‑S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂，制备的催化剂具有多孔球状结构，B‑S共掺可以起到很好的协同作用，使制得的催化剂产生更多的缺陷，暴露出更多的活性位点，催化剂的电子结构得到优化，从而促进高氧化态活性物质的生成，提高催化剂的催化活性和稳定性，制备方法过程易于控制，成本低廉。

Description

一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于电化学催化剂制备技术领域，涉及一种电解水析氧催化剂，具体涉及一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法。
背景技术
当今世界，能源的大量消耗，一方面促进了人类社会经济与生活的进步，但是另一方面却给人类带来了巨大的环境问题。随着石油、煤、天然气等不可再生能源的燃烧，生态环境日趋恶劣，并且这些不可再生能源在地球上的储存量有限，在它们被日益消耗的同时，人类将面临着越来越大的能源危机。所以，寻找和开发一种可持续的不依赖化石燃料的清洁能源迫在眉睫。
从上世纪70年代初以来，氢气就一直被看做理想能源，氢气在已知燃料中能量密度最高，并且还是二氧化碳零排放的清洁能源。电解水还可以得到人类生存所必需的氧气。我们的地区上有丰富的水资源，如果能利用风能、太阳能等可再生能源发电，直接电解水就可以制备大量的清洁燃料，能够很好地缓解能源危机。电解水制氢是目前技术成熟、无污染、操作简便的一种制氢技术，并且获得的氢气纯度较高。
虽然电解水制氢技术具有其他几种技术无法比拟的优点，但是电解水技术也面临着一定的困难。例如，水的电化学分解分为两个半反应：析氢反应(HER) 和析氧反应(OER)。其中，OER是一个具有四电子转移过程的氧化反应，在动力学上更难进行进行，因此，使电解水的整体效率受到了极大阻碍。目前，贵金属催化剂(RuO2和IrO2等)作为析氧材料虽然有着较高的催化活性，但是储量稀缺，成本高，极大地影响了其规模化应用。因此，发展可替代贵金属的高效，低廉的OER电催化剂便成为科研人员的关注重点。近年来，镍钴基催化剂由于其较低的过电位、良好的导电性以及优异的金属特性，在电解水方面有着优异的表现，从而被认为是一种极具潜力的催化剂。因此，对于镍钴基催化剂的探索与研究已经成为目前研究的一个热点领域。
发明内容
本发明旨在提供一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，通过制备分层的镍钴前驱体固体球并掺杂B元素和S元素，B-S共掺可以起到很好的协同作用，使制得的催化剂产生更多的缺陷，暴露出更多的活性位点，催化剂的电子结构得到优化，从而促进高氧化态活性物质的生成，提高催化剂的催化活性和稳定性，制备方法过程易于控制，成本低廉。
本发明的技术方案如下：
一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，按照如下的步骤顺序依次进行：
S1、将镍源和钴源按照1:2的摩尔比溶于二元溶剂中，剧烈搅拌6-8h，得A；
S2、将A置于聚四氟乙烯热压罐中密封后，于160℃下在电热鼓风干燥箱中加热10h，冷却到室温时，通过离心获得沉淀，得B；
S3、将B用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，置于真空干燥箱中于60℃干燥10-12h，得C；
S4、将C和硼源分别分散在0.025mol/L的硫源乙醇溶液中，剧烈搅拌6-8h，得D；
S5、将D置于聚四氟乙烯高压釜并密封后，置于超声波-微波化学反应器中，于温度178℃下微波-超声30min，冷却至室温后，通过离心收集反应得到的黑色沉淀，得E；
S6、将E用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，产物置于真空干燥箱中于60℃干燥干燥12h，得到B-S共掺的镍钴基催化剂。
本发明制备的镍钴前驱体为相对光滑的分层固体球，该结构有利于电解液的浸润和离子的吸附/脱附，片层搭接形成的稳定孔结构能够增大催化剂有效利用的电化学活性比表面积，后期对该镍钴前驱体固体球进行B和S掺杂改性，利用超声波和微波联合的方法，可使得反应时间大大缩短，在极短的30min内完成水热反应，而采用传统水热法则需要12h，本发明的超声波和微波合成法极大地提高了催化材料的制备效率，同时可以避免快速的高温反应中产物出现团聚现象，从而保证了各元素均匀地分布于催化剂产物中，避免了后期在析氧过程中出现粉化及坍塌。
作为本发明的限定：
(一)步骤(1)中，所述的二元溶剂为异丙醇和丙二醇按照体积比3:2的混合溶液。
(二)步骤S1中，所述镍源为乙酸镍、氯化镍、硝酸镍或硫酸镍中的一种，所述钴源为乙酸钴、氯化钴、硝酸钴或硫酸钴中的一种。
(三)步骤S4中，所述硼源为硼酸。
(四)步骤S5中，微波功率733W，微波频率2450MHz，超声波功率245 W，超声波频率25KHz。
本发明中微波和超声联合法相对于传统的水热法，具有反应时间短，产物分布均匀的优势，在该过程中，温度是至关重要的，当温度低于178℃时，会使硼、硫的掺入反应不完全；当温度高于178℃时，会使产物的球状结构坍塌破碎。
作为本发明的进一步限定，步骤S4中，步骤S4中，镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2。
本发明还有一种限定，步骤S4中，所述的硫源为硫脲。
该步骤中，镍源、钴源、硼源、硫源的比例是较为关键的，由于非金属和金属原子之间的电子结构调控，使得S作为吸电子物质吸收Ni、Co周围的电子，而B作为给电子物质使电子转移到Ni、Co原子上，这种相反的电子传递机制将会产生具有最佳电子密度的金属位点，以使其余反应物和产物相互作用。经实验，当镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2时，能够使催化剂具有最佳电子密度的金属位点，有利于电解水析氧反应的进行。
本发明所制备的催化剂在具体的电解水析氧时，具有很好的催化效果，具体表现为：
第一，独特的多孔纳米结构具有较大的比表面积，有利于在水分解过程中的传质、催化活性位点的暴露以及所产生气体的释放等。
第二，掺杂剂的引入可以诱导大量氧空位缺陷的形成，从而增加电子电导率并促进电化学OER性能的增强，B掺杂可以产生多的氧空位，有利于O*的形成，在S的掺杂有利于提升增强对O*的吸附，表面吸附的S可以通过促进对 O*的吸附来提升其OER活性，这样B-S共掺杂可以起到一个很好的协同作用。
第三，本发明催化剂同时含有B和S，由于其不同于硼化物或硫化物的独特性质而显示出能够增强OER电催化速率，在金属硼化物中B向金属Ni、Co 贡献电子，而在金属硫化物中的Ni、Co失电子，当B、S两种物质同时引入时，由于非金属和金属原子之间的电子结构调控，使得S作为吸电子物质吸收Ni、 Co周围的电子，而B作为给电子物质使电子转移到Ni、Co原子上，这种相反的电子传递机制将会产生具有最佳电子密度的金属位点，以使其余反应物和产物相互作用。
第四，由于双金属Ni和Co之间存在着强的电子相互作用，能够促进金属在表面氧化为高价态的M-OOH物质，通过非金属B、S元素的掺杂能够起到优化电子结构的作用，起到降低形成M-OOH中间产物的能量势垒，促进MOOH 中间产物的生成，M-OOH中间产物的形成是OER反应的关键步骤，这样可以使得催化剂电解水析氧性能得以提升。
本发明上述技术方案作为一个整体，各个步骤之间是息息相关，互相影响的，本发明制备得到的产物为多孔球状结构，众所周知结构形貌与催化剂的催化性能是息息相关的，由于其存在丰富的孔结构和大的比表面积不仅为离子和电子的传输提供了丰富的通道，而且还显著提高了电解质与电活性材料的接触面积。本发明通过在分层的镍钴前驱体固体球中掺杂B元素和S元素，由于双金属Ni和Co之间存在着强的电子相互作用，能够促进金属在表面氧化为高价态的M-OOH物质，通过非金属B、S元素的掺杂能够起到优化电子结构的作用，起到降低形成M-OOH中间产物的能量势垒，促进MOOH中间产物的生成， M-OOH中间产物的形成是OER反应的关键步骤，这样可以使得催化剂电解水析氧性能得以提升。
由于采用本发明技术方案后，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过硼源和硫源的掺杂制备B-S共掺杂的镍钴基催化剂，B和S 对于镍钴基催化剂协同发挥催化作用，使得其催化活性较好，能实现较好的催化效果。
2、本发明制备过程简单易于控制，周期短，可以大规模生产，具有良好的经济效益。
3、本发明采用超声波-微波联合化学方法对镍钴基催化剂进行B-S共掺杂，掺杂效果好，节省了时间，提高了反应效率。
4、本发明在原料来源广泛，造价低廉，成本低。
本发明适用于制备B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂。
下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例制备的B-S共掺杂的镍钴基催化剂的形貌SEM图。
图2为本发明实施例制备的B-S共掺杂的镍钴基催化剂的mapping图。
图3为本发明实例1和对比例1、对比例2所得到的催化剂样品在1M KOH 电解液中进行析氧反应的LSV曲线图。
图4为本发明实施例制备的B-S共掺的镍钴基催化剂在150mA/cm2电流密度下的i-t曲线
图5为本发明实施例制备的B-S共掺的镍钴基催化剂3000CV循环前后的 OER曲线比较
图6为本发明实施例1-5和对比例1制备的催化剂样品在1M KOH电解液中进行析氧反应的LSV曲线图。
具体实施方式
下述实施例中，所述的试剂如无特殊说明，均采用市售试剂，下述实验方法及检测方法，如无特殊说明均采用现有的实验方法和检测方法。
实施例1
本实施例为一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，按照如下的步骤顺序依次进行：
S1、将0.5mmol乙酸镍和1.0mmol乙酸钴溶于异丙醇和丙二醇的二元溶剂中(体积分别为30mL和20mL)，剧烈搅拌8h，得A；
S2、将A置于聚四氟乙烯热压罐中并密封后，在160℃下在电热鼓风干燥箱中加热10h，冷却至室温时，通过离心获得沉淀，得B；
S3、将B用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，置于真空干燥箱中于60℃干燥10h，所得的产物即为多层的镍钴前驱体固体球，得C；
S4、取C与硼酸，将二者分散在0.025mol/L的硫脲乙醇溶液中，镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2，剧烈搅拌6h，得D；
S5、将D密封在聚四氟乙烯高压釜中，置于超声-波微波化学反应器中，于微波功率733W，微波频率2450MHz，超声波功率245W，超声波频率25KHz, 微波-超声温度178℃，微波-超声时间30min下进行反应，冷却至室温后，通过离心收集反应得到的黑色沉淀，得E；
S6、当E用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，产物置于真空干燥箱中于60℃干燥12h，得到B-S共掺的镍钴基催化剂。
对本实施例得到的产物进行性能测试，具体的测试结果如下：
图1为催化剂的SEM图谱，从图中可以看出制备的B-S共掺杂的镍钴基催化剂为多孔球状的钠米结构，多孔球状结构由于其存在丰富的孔结构和大的比表面积不仅为离子和电子的传输提供了丰富的通道，而且还显著提高了电解质与电活性材料的接触面积。
图2为本发明实施例制备的B-S共掺杂的镍钴基催化剂的mapping图。从图中可以看出B-S共掺的镍钴基催化剂中含有Ni、Co、S、B四种元素，且各个元素分布均匀，没有集聚现象发生，这说明此实施例制备出的是B-S共掺的镍钴基催化剂。
图3为本发明实例1和对比例1、对比例2(下述对比例)所得到的催化剂样品在1MKOH电解液中进行析氧反应的性能图，采用上海辰华公司生产的 CHI660E电化学工作站进行时本发明的电化学测试，利用传统的三电极体系，以石墨棒和Hg/HgO电极分别作为对电极和参比电极，以本发明中所制备的样品为工作电极，工作电极暴露的几何面积为1cm×1cm。线性扫描伏安法(LSV) 测量的电压范围为0-2V，测得的Hg/HgO电极电位需要按 E(RHE)＝E(Hg/HgO)-0.306V的公式转化为标准氢电极电势(RHE)。从图中可以看出，本实施例进行B-S共掺杂的得到的镍钴基催化的催化性能好，同时含有B和S的金属化合物由于其不同于硼化物或硫化物的独特性质而显示出能够增强OER电催化速率，在金属硼化物中B向金属Ni、Co贡献电子，而在金属硫化物中的Ni、Co失电子，当B、S两种物质同时引入时，由于非金属和金属原子之间的电子结构调控，使得S作为吸电子物质吸收Ni、Co周围的电子，而B作为给电子物质使电子转移到Ni、Co原子上，这种相反的电子传递机制将会产生具有最佳电子密度的金属位点，以使其余反应物和产物相互作用。
催化稳定性也是评估电催化材料的一个很重要的参数，采用CP法在150 mA·cm-2恒定电流密度下对本实施例制备的B-S共掺杂的镍钴基催化剂进行了 26h的测试。图4、图5为本发明实施例1制备的B-S共掺杂的镍钴基催化剂用作析氧反应的性能稳定性图。如图4所示，经过26h的测试，该电极的OER活性仅呈现略微的下降，说明该电极在碱性条件下具有较好的OER催化稳定性。图5中所示的实施例1经过3000CV后，催化性能仍保持良好，说明实施例1 所制备的催化剂具有较好的稳定性。
实施例2-5
Figure BDA0003776525560000071
Figure BDA0003776525560000081
对比例
对比例1与实施例1相似，不同之处仅在于：步骤S4中不加入硼酸。图 6为本发明实施例1-5和对比例1制备的催化剂样品在1M KOH电解液中进行析氧反应的LSV曲线图，从图中可以得知：进行B-S共掺的镍钴基催化剂具有较优的电解水析氧性能。
对比例2与实施例1相似，不同之处仅在于：步骤S4中不加入硫脲。
对比例3与实施例1相似，不同之处仅在于：不是用超声波微波化学反应器，应用电热鼓风干燥箱反应，反应温度178℃，时间30min。
对比例4与实施例1相似，不同之处仅在于：S1中二元溶剂为体积50mL 的丙二醇。
对比例5与实施例1相似，不同之处仅在于：S1中二元溶剂为体积50mL 的异丙醇。
对比例6本实施例制备的催化剂制备过程如下：
S1、将0.5mmol乙酸镍和1.0mmol乙酸钴溶于异丙醇和丙二醇的二元溶剂中(体积分别为30mL和20mL)，取硼酸并将其分散在0.025mol/L的硫脲乙醇溶液中，镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2，合并两种溶液后，剧烈搅拌8h，得A；
S2、将A置于聚四氟乙烯热压罐中并密封后，在160℃下在电热鼓风干燥箱中加热12h，冷却至室温时，通过离心获得沉淀，得B；
S3、将B用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，置于真空干燥箱中于60℃干燥10h，得催化剂产物。
对比例7本实施例制备的催化剂制备过程如下：
S1、将0.5mmol乙酸镍和1.0mmol乙酸钴溶于异丙醇和丙二醇的二元溶剂中(体积分别为30mL和20mL)，剧烈搅拌8h，得A；
S2、取硼酸并将其分散在0.025mol/L的硫脲乙醇溶液中，镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2，剧烈搅拌6h，得B；
S5、将B密封在聚四氟乙烯高压釜中，置于超声-波微波化学反应器中，于微波功率733W，微波频率2450MHz，超声波功率245W，超声波频率25KHz, 微波-超声温度178℃，微波-超声时间30min，冷却至室温后，通过离心收集反应得到的沉淀，得C；
S6、当C用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，产物置于真空干燥箱中于60℃干燥12h，得到最终的产物。
对上述的对比例1至对比例7所制备的材料进行相应的电化学性能测试，结果如下表所示：
不同实施例和对比例在电流密度150mA/cm2时的电压、过电位表
Figure BDA0003776525560000091
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，其特征在于，按照如下的步骤顺序依次进行：
S1、将镍源和钴源按照1:2的摩尔比溶于二元溶剂中，所述的二元溶剂为异丙醇和丙二醇按照体积比3:2的混合溶液，所述镍源为乙酸镍、氯化镍、硝酸镍或硫酸镍中的一种，所述钴源为乙酸钴、氯化钴、硝酸钴或硫酸钴中的一种，剧烈搅拌6-8h，得A；
S2、将A置于聚四氟乙烯热压罐中密封后，于160℃下在电热鼓风干燥箱中加热10h，冷却到室温时，通过离心获得沉淀，得B；
S3、将B用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，置于真空干燥箱中于 60℃干燥10-12h，得C；
S4、将C和硼源分别分散在0.025mol/L的硫源乙醇溶液中，所述硼源为硼酸，镍源、钴源、硼源、硫源的摩尔比为1:2:2:2，剧烈搅拌6-8h，得D；
S5、将D置于聚四氟乙烯高压釜并密封后，置于超声波-微波化学反应器中，于温度 178℃下微波-超声30min，冷却至室温后，通过离心收集反应得到的黑色沉淀，得E；
S6、将E用去离子水和无水乙醇分别各洗涤3次，产物置于真空干燥箱中于60℃干燥12h，得到B-S共掺的镍钴基催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S5中，微波功率733 W，微波频率2450 MHz，超声波功率245 W，超声波频率25KHz。
3.据权利要求1或2所述的一种B-S共掺的镍钴基电解水析氧催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S4中，所述的硫源为硫脲。
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