CN116180107A - 一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116180107A
CN116180107A CN202310247236.4A CN202310247236A CN116180107A CN 116180107 A CN116180107 A CN 116180107A CN 202310247236 A CN202310247236 A CN 202310247236A CN 116180107 A CN116180107 A CN 116180107A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tungstate
catalytic material
nickel
amorphous
ferronickel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310247236.4A
Other languages
English (en)
Inventor
谭鹏飞
张晓庆
潘军
廖寒潇
刘烜志
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202310247236.4A priority Critical patent/CN116180107A/zh
Publication of CN116180107A publication Critical patent/CN116180107A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明公开了一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用，所述钨酸镍铁催化材料的化学式为FexNiyWO4，其中按摩尔比计，Ni：Fe：W＝1：0.5～1.5：1，所述钨酸镍铁催化材料为球形颗粒结构。其制备方法为：将镍源、铁源和钨源溶于水中，搅拌后得到悬浮状液体，悬浮状液体通过热处理后得到沉淀物，将沉淀物洗涤、干燥后得到粉末，即得催化性能好、稳定性高的非晶钨酸镍铁催化材料，本发明提供的的钨酸镍铁催化材料具有高的本征活性，且具有较高的稳定性，可作为电化学催化剂应用。

Description

一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学催化剂领域，特别涉及一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用。
背景技术
电化学裂解水是一种很有前景的制氢方法，可以缓解能源危机。电化学水分解过程受到其半反应之一的析氧反应(OER)的强烈约束，该反应使用缓慢的四电子转移机制。迄今为止，贵金属钌、铱及其氧化物被证明是最先进的OER电催化剂。然而，它们在碱性条件下的不稳定性、稀有性和高成本限制了它们的工业应用。为了满足大规模应用的需求，有必要探索具有可接受的成本、活性和持久性的替代催化剂。
作为一种具有黑钨矿结构的物质，钨酸镍具有许多有趣的特性，包括良好的导电性和高的结构耐久性。由于这种能力，该化合物已被用于各种应用，如超级电容器和电池，以及用于水净化的光催化。其结构稳定性高，导电性好，有望成为一种优秀的电催化剂候选材料。根据文献，由于过渡金属钨酸盐所有成员的晶体结构相似，经常引入其他金属来提高电催化性能。然而，铁的引入对钨酸镍的电化学重建行为和电催化性能的影响还没有被研究过。因此，将Fe引入到钨酸镍降低其结晶度，促进其重构过程，提高其电催化活性，是一项值得研究的课题。
发明内容
针对现有的电化学催化剂存在本征活性低，稳定性差等缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种具有球形颗粒结构，本征活性高，且稳定性好的非晶的钨酸镍铁催化材料。
本发明的第二个目的是在于提供一种简单、低成本的制备所述非晶钨酸镍铁催化材料的方法。
本发明的第三个目的是在于提供一种非晶钨酸镍铁催化材料在电化学中的应用，其具有本征活性高、催化性能好、稳定性高等特点。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种非晶的钨酸镍铁催化材料，所述钨酸镍铁催化材料的化学式为FexNiyWO4，其中按摩尔比计，Ni：Fe：W＝1：0.5～1.5：1。
本发明提供的钨酸镍铁催化材料，按摩尔比计：Ni：Fe：W＝1：0.5～1.5：1，当在上述摩尔比范围内，所得钨酸镍铁催化材料为非晶态，而发明人意外的发现，当钨酸镍铁催化材料为非晶态，其电催化性能大幅优于晶态的钨酸镍铁。
优选的方案，所述钨酸镍铁催化材料中，按摩尔比计，Ni：Fe：W＝1:0.5～1:1。
进一步的优选，所述钨酸镍铁催化材料中，按摩尔比计，Ni：Fe：W＝1:0.5:1。
本发明的非晶钨酸镍铁催化材料在镍、铁和钨的摩尔比为1:0.5:1时具有最佳的电催化性能。
优选的方案，所述钨酸镍铁催化材料为球形颗粒结构。发明人发现，球状颗粒结构，能提高催化材料的本征活性和稳定性。
优选的方案，所述钨酸镍铁催化材料由钨酸镍与钨酸亚铁两种二元金属氧化物混合构成。
本发明还提供一种非晶的钨酸镍铁催化材料的制备方法，将镍源、铁源和钨源溶于水中，搅拌后得到悬浮状液体，将悬浮状液体进行水热反应，固液分离，所得固相即为钨酸镍铁催化材料，所述悬浮状液体中，Ni：Fe：W＝1：0.5～1.5：1。
本发明的制备过程，只需严格控制好悬浮状液体中，Ni、Fe、W的摩尔比，通过一步水热法，即能得到球状颗粒结构的钨酸镍铁催化材料。
优选的方案，所述镍源为六水合硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、铁源为九水合硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)，钨源为二水合钨酸钠(Na2WO4·2H2O)。
优选的方案，配取镍源、铁源和钨源溶解在水溶液中，搅拌30～45min即得悬浮状液体。
经过搅拌后，可以使镍源、铁源和钨源充分溶解分散均匀。
优选的方案，所述悬浮状液体中，Ni：Fe：W＝1：0.5～1：1。
进一步的优选，所述悬浮状液体中，Ni：Fe：W＝1：0.5：1。
优选的方案，所述水热反应的温度为140～160℃，水热反应的时间为8～9h。
在实际操作过程中，固液分离的过程为水热反应完成后，自然冷却至室温；将上清溶液倒出，即得到固相沉淀物。
优选的方案，所得固相用去离子水和乙醇依次轮流洗涤，然后以12000～15000r/min的转速离心3～4min后，在60～80℃的保温箱中干燥8～9h、研磨即得钨酸镍铁催化材料。
在实际操作过程中，所得固相沉淀物用去离子水和乙醇依次轮流各清洗三次，然后将装有沉淀物得离心管放入保温箱中，在空气气氛下，将温度保持在60～80℃，保温8～9h，研磨所得粉末即为钨酸镍铁催化材料。
本发明还提供一种非晶的钨酸镍铁催化材料的应用，将所述钨酸镍铁催化材料作为电化学催化剂。
在应用过程中工作电极需要使用到粘结剂为萘酚(Nafion)。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
1)本发明的钨酸镍铁催化材料具有稳定性好，催化活性高的特点，可以作为电化学催化剂广泛应用。
2)本发明的钨酸镍铁催化材料结构特殊，催化活性高，大大降低了催化材料的使用成本。
3)本发明的钨酸镍铁催化材料可以采用水热法制得，具有制备方便，操作简单，可批量生产的优点。
附图说明
图1为实施例1制备的非晶钨酸镍铁电化学催化材料的XRD图。
图2为实施例1制备的非晶钨酸镍铁电化学催化材料的SEM图。
图3为实施例2制备的非晶钨酸镍铁电化学催化材料的XRD图。
图4为对比例1结晶态钨酸镍铁电化学催化材料的XRD图。
图5为实施例1、2、对比例1的极化曲线(LSV)对比图。
图6为实施例1、2、对比例1的Cdl对比图。
图7为实施例1、2、对比例1的电化学活性面积(ECSA)归一化极化曲线对比图。
图8为实施例1、2、对比例1的实施例1的稳定性测试曲线。
具体实施方式
下面结合非限制性的具体实施例进一步示例性地详细说明本发明。
本发明实施例中所使用的试剂均可市购得到。
实施例1
一、悬浮状液体的制备：
按照Ni:Fe:W＝1:0.5:1的摩尔比，分别称取436.2mg六水合硝酸镍、303mg九水合硝酸铁和494.8mg二水合钨酸钠溶解在45mL水溶液中，搅拌45min使其充分溶解后得到悬浮状液体(可适当超声)；
二、沉淀物
将步骤一中得到的悬浮液倒入高压釜中，置于保温箱中加热至140℃保温8h后，自然冷却至室温；将上清溶液倒出，得到沉淀物。
三、洗涤、干燥
将步骤二中得到的沉淀物用去离子水和乙醇依次轮流各清洗三次后，以12000r/min的转速离心4min后在60℃的保温箱中干燥8h，经研磨后得到粉末状钨酸镍铁催化材料。
图1为实施例1制备的钨酸镍铁催化材料的XRD图，从图中可以看到其具有较宽的性质和较低的衍射峰强度，这是非晶态结构的结果，说明实施例1所得为非晶的钨酸镍铁催化材料。
图2为实施例1制备的非晶的钨酸镍铁催化材料的SEM图，从图中看到，所得钨酸镍铁催化材料为球状颗粒结构。
四、电催化性能检测
取5mg制得的粉末，分散在含30μlNafion和470μl乙醇的混合溶液中，超声45min后，取100μl的混合溶液滴于经处理后的泡沫镍上，自然干燥后，用电化学工作站测催化剂的电化学性能，其中以上述所得为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂片为对极，1.0M的KOH为电解。
如图5的LSV曲线所示，当电流密度达到10mA cm-2时，需要过电位262mV，即具有相对较高的OER活性。
如图6的Cdl对比图所示，实施例1的Cdl值达到6.03mFcm-2，对比表明其具有相对较高的电化学活性面积。
如图7的电化学活性面积(ECSA)归一化极化曲线对比图所示，表明实施例1具有更优异的本征活性。
如图8的稳定性测试曲线所示，实施例1可以在电流密度为50mA cm-2下，电势可以在几乎察觉不到电压变化的情况下保持稳定50h以上。耐久试验前后的极化曲线如图8插图所示。可以发现，试验后活性仅略有下降。
实施例2
一、悬浮状液体的制备：
按照Ni:Fe:W＝1:1:1的摩尔比，分别称取436.2mg六水合硝酸镍、606mg九水合硝酸铁和494.8mg二水合钨酸钠溶解在45mL水溶液中，搅拌45min使其充分溶解后得到悬浮状液体(可适当超声)；
二、沉淀物
将步骤一中得到的悬浮液倒入高压釜中，置于保温箱中加热至140℃保温8h后，自然冷却至室温；将上清溶液倒出，得到沉淀物。
三、洗涤、干燥
将步骤二中得到的沉淀物用去离子水和乙醇依次轮流各清洗三次后，以12000r/min的转速离心4min后在60℃的保温箱中干燥8h，经研磨后得到粉末状钨酸镍铁催化材料。
图3为实施例2制备的钨酸镍铁催化材料的XRD图，从图中可以看到其具有较宽的性质和较低的衍射峰强度，这是非晶态结构的结果，说明实施例2所得为非晶的钨酸镍铁催化材料。
四、电催化性能检测
取5mg制得的粉末，分散在含30μl Nafion和470μl乙醇的混合溶液中，超声45min后，取100μl的混合溶液滴于经处理后的泡沫镍上，自然干燥后，用电化学工作站测催化剂的电化学性能，其中以上述所得为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂片为对极，1.0M的KOH为电解。
如图5的LSV曲线所示，当电流密度达到10mA cm-2时，需要过电位265mV，表明具有相对较高的OER活性。
如图6的Cdl对比图所示，实施例2的Cdl值达到5.09mF cm-2，对比表明其具有相对较高的电化学活性面积。
如图7的电化学活性面积(ECSA)归一化极化曲线对比图所示，表明实施例2具有相对较优异的本征活性。
对比例1
一、悬浮状液体的制备：
按照Ni:Fe:W＝1:2:1的摩尔比，分别称取436.2mg六水合硝酸镍、1212mg九水合硝酸铁和494.8mg二水合钨酸钠溶解在45mL水溶液中，搅拌45min使其充分溶解后得到悬浮状液体(可适当超声5-10min)；
二、沉淀物
将步骤一中得到的悬浮液倒入高压釜中，置于保温箱中加热至140℃保温8h后，自然冷却至室温；将上清溶液倒出，得到沉淀物。
三、洗涤、干燥
将步骤二中得到的沉淀物用去离子水和乙醇依次轮流各清洗三次后，以12000r/min的转速离心4min后在60℃的保温箱中干燥8h，经研磨后得到粉末状钨酸镍铁催化材料。
图4为对比例1结晶态钨酸镍铁电化学催化材料的XRD图。XRD显示具有明显钨酸镍和钨酸亚铁的晶型峰，表现出晶型。
四、电催化性能检测
取5mg制得的粉末，分散在含30μl Nafion和470μl乙醇的混合溶液中，超声45min后，取100μl的混合溶液滴于经处理后的泡沫镍上，自然干燥后，用电化学工作站测催化剂的电化学性能，其中以上述所得为工作电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，铂片为对极，1.0M的KOH为电解。
如图5的LSV曲线所示，当电流密度达到10mA cm-2时，需要过电位272mV，表明其具有相对较低的OER活性。
如图6的Cdl对比图所示，实施例1的Cdl值达到5.06mFcm-2，对比表明其具有相对较低的电化学活性面积。
如图7的电化学活性面积(ECSA)归一化极化曲线对比图所示，表明实施例1具有相对较低的本征活性。

Claims (10)

1.一种非晶的钨酸镍铁催化材料，其特征在于：所述钨酸镍铁催化材料的化学式为FexNiyWO4，其中按摩尔比计，Ni：Fe：W＝1：0.5～1.5：1。
2.根据权利要求1所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料，其特征在于：所述钨酸镍铁催化材料中，按摩尔比计，Ni：Fe：W＝1:0.5～1:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料，其特征在于：所述钨酸镍铁催化材料为球形颗粒结构。
4.根据权利要求1或2所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料，其特征在于：所述钨酸镍铁催化材料由钨酸镍与钨酸亚铁两种二元金属氧化物混合构成。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料的制备方法，其特征在于：将镍源、铁源和钨源溶于水中，搅拌后得到悬浮状液体，将悬浮状液体进行水热反应，固液分离，所得固相即为钨酸镍铁催化材料，所述悬浮状液体中，Ni：Fe：W＝1：0.5～1.5：1。
6.根据权利要求5所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料的制备方法，其特征在于：所述镍源为六水合硝酸镍、铁源为九水合硝酸铁，钨源为二水合钨酸钠；
配取镍源、铁源和钨源溶解在水溶液中，搅拌30～45min即得悬浮状液体。
7.根据权利要求5或6所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料的制备方法，其特征在于：所述悬浮状液体中，Ni：Fe：W＝1：0.5～1：1。
8.根据权利要求5或6所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料的制备方法，其特征在于：所述水热反应的温度为140～160℃，水热反应的时间为8～9h。
9.根据权利要求5或6所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料的制备方法，其特征在于：所得固相用去离子水和乙醇依次轮流洗涤，然后以12000～15000r/min的转速离心3～4min后，在60～80℃的保温箱中干燥8～9h、研磨即得钨酸镍铁催化材料。
10.根据权利要求1-4任意一项所述的一种非晶的钨酸镍铁催化材料的应用，其特征在于：将所述钨酸镍铁催化材料作为电化学催化剂。
CN202310247236.4A 2023-03-15 2023-03-15 一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用 Pending CN116180107A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310247236.4A CN116180107A (zh) 2023-03-15 2023-03-15 一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310247236.4A CN116180107A (zh) 2023-03-15 2023-03-15 一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116180107A true CN116180107A (zh) 2023-05-30

Family

ID=86432792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310247236.4A Pending CN116180107A (zh) 2023-03-15 2023-03-15 一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116180107A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116426963A (zh) * 2023-06-14 2023-07-14 河南师范大学 基于pom/mof衍生的镍铁钨纳米材料及其制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116426963A (zh) * 2023-06-14 2023-07-14 河南师范大学 基于pom/mof衍生的镍铁钨纳米材料及其制备方法和应用
CN116426963B (zh) * 2023-06-14 2023-08-08 河南师范大学 基于pom/mof衍生的镍铁钨纳米材料及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110021757B (zh) 一种生长于泡沫镍表面的硫硒化镍薄膜包裹的纳米棒材料的制备方法
CN110479329B (zh) 一种磷掺杂碲化钴纳米材料的制备及应用
CN112430828B (zh) 一种过渡金属掺杂镍基金属有机框架三维电极材料的制备方法及其产品和应用
WO2021104533A1 (zh) 一种提高金属氧化物电催化性能的淬火改性方法及制得的金属氧化物电催化剂与应用
CN112517011A (zh) 一种碳基镍铁双金属析氧催化剂及其制备方法
KR101488827B1 (ko) 착화합물을 이용한 연료전지용 금속촉매의 제조방법 및 공정, 이를 이용하는 연료전지용 전극 및 연료전지
CN110614105A (zh) 用于析氢的Mo2C/NiCoSex异质结电催化材料及其制备方法
CN114045525A (zh) 一种镍基自支撑电解水催化剂及其制备方法
CN111744502B (zh) 一种镁掺杂二硫化钴复合碳纳米管材料、制备方法与应用
Wang et al. Ag nanoparticles decorated urchin-like cobalt carbonate hydroxide composites for highly efficient oxygen evolution reaction
CN116180107A (zh) 一种非晶的钨酸镍铁催化材料及其制备方法和应用
CN113512737B (zh) 一种氢氧化镍电催化剂、制备方法、电化学活化方法及其应用
Shang et al. Constructing hierarchical structure electrocatalyst for efficient hydrogen evolution and selective oxidation of benzylamine
CN112321858B (zh) 一种宏量制备具有析氧性能MOFs纳米片的方法
CN113718270A (zh) 一种碳载NiO/NiFe2O4尖晶石型固溶体电解水析氧催化剂的制备方法及其应用
CN110560094B (zh) 一种3d多孔钴锡钼三金属催化剂的制备方法
CN111640953A (zh) 一种铝-空气电池的空气电极催化剂及其制备方法
CN111686727B (zh) 一种负载型析氧催化剂及水电解器膜电极的制备方法
CN114824331A (zh) 层状双金属氧化物负极材料及其制备方法和应用
CN112191242B (zh) 六方晶系结构氧化物在析氧反应中的用途
CN113957474A (zh) 一种异质结结构的电解水材料及其制备方法与应用
CN114759194B (zh) 一种锰基三元一体化双功能氧电极及其制备方法与应用
CN115784327B (zh) 一种具有mof结构的中熵硫化物材料及其制备方法
CN114606535B (zh) 一种用于电催化还原CO2中的Ni-S-C复合催化剂及其制备方法
CN114291798B (zh) 微波法合成碲化钴纳米棒电催化剂及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination