一种电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法与流程

本发明涉及纳米多孔材料领域，尤其涉及一种电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法。

背景技术：

氢是一种环境友好的能源，当通过与氧气反应生成水而释放出能源含量时，二氧化碳的排放量为零。目前，氢气主要通过热过程从天然气、石脑油、石油和其他不可再生资源中产生。这些过程可能导致严重的环境破坏。

目前，氢也可以通过由可再生能源(例如风能和太阳能)产生的电能电解水来获得。然而，由于电解水反应是四电子转移过程，并且需要高的过电势，因此电化学水分解的效率受到产氧反应动力学的影响。因此，迫切需要探索高活性产氧电催化剂以减少能垒。

基于ir和ru的材料具有优异的产氧催化活性，但是这种稀有金属的高价始终限制了其广泛的应用。目前，已经开发了产量相对丰富和低成本的过渡金属材料(ni、fe、mn、co等)来替换贵金属ir和ru，而且这些过渡金属材料在碱性条件下表现出高活性。但产氧催化剂的活性还与催化剂本身的活性位点分布、活性位点数量以及比表面积等结果相关。

因此，开发一种工艺简单、成本低廉且具有较高表面积的产氧催化剂，增加催化剂活性使其具有更高的产氧效率，以可以实现大比表面积的产氧催化剂的规模工业化生产。

技术实现要素：

(一)发明目的

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法，仅需要湿法浸渍和空气干燥两步，工艺操作简单，适合规模化工业生产。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出了一种电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：

s1：将ni和fe的可溶性盐按照催化剂中对应的比例溶于去离子水中形成均一溶液；

s2：将白炭黑粉末加入至均一溶液中并搅拌，使ni和fe锚定在白炭黑中，离心收集固体产物；

s3：将上述固体产物于空气中干燥，得到成品。

优选的，s1中，ni和fe的可溶性盐包括氯化盐和硝酸盐，ni和fe离子的摩尔浓度为0.05-0.5mol/l。

优选的，s2中，白炭黑粉的加入量与溶液的质量比为1-5wt％。

优选的，s2中，搅拌温度为30-50℃，搅拌速度为50-500r/min，搅拌时间为2-5h。

优选的，s3中，干燥温度为70-100℃，干燥时间为12-24h。

优选的，s2与s3中，导电基体为泡沫镍或碳布。

优选的，包括以下步骤：

s71：将20ml的0.1mol/l的nicl2·6h2o和10ml的0.1mol/l的fecl3·6h2o加入试管中混合；在500r/min搅拌速度下，搅拌半小时形成均一溶液，并将溶液加热至40℃；

s72：将0.6g白炭黑粉末加入至s71中的均一溶液中，500r/min磁力搅拌2h，使ni和fe锚定在白炭黑中；

s73：5000r/min条件下离心收集固体沉淀，并用去离子水清洗分散固体沉淀，继续离心；其中，固体产物总共离心清洗三次；

s74：将上述固体产物于空气中干燥，得到成品；其中，干燥温度70℃，干燥时间12h。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：催化剂的制备方法仅需要湿法浸渍和空气干燥两步，工艺操作简单，适合规模化工业生产。

附图说明

图1为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂氮气吸附脱附曲线图。

图2为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂孔径分布图。

图3为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂x射线衍射图。

图4为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂扫描电镜图。

图5为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂透射电镜图。

图6为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂的极化曲线图。

图7为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂的塔菲尔斜率曲线图。

图8为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂的电化学阻抗图。

图9为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂的稳定性测试曲线图。

图10为本发明提出的电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法中多孔催化剂的稳定性测试20小时(10ma/cm²)后的极化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提出的一种电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：

s1：将ni和fe的可溶性盐按照催化剂中对应的比例溶于去离子水中形成均一溶液；

s2：将白炭黑粉末加入至均一溶液中并搅拌，使ni和fe锚定在白炭黑中，离心收集固体产物；

s3：将上述固体产物于空气中干燥，得到成品。

在一个可选的实施例中，s1中，ni和fe的可溶性盐包括氯化盐和硝酸盐，ni和fe离子的摩尔浓度为0.05-0.5mol/l。

在一个可选的实施例中，s2中，白炭黑粉的加入量与溶液的质量比为1-5wt％。

在一个可选的实施例中，s2中，搅拌温度为30-50℃，搅拌速度为50-500r/min，搅拌时间为2-5h。

在一个可选的实施例中，s3中，干燥温度为70-100℃，干燥时间为12-24h。

在一个可选的实施例中，s2与s3中，导电基体为泡沫镍或碳布。

本发明中，催化剂的制备方法仅需要湿法浸渍和空气干燥两步，工艺操作简单，适合规模化工业生产。

实施例1：

一种电解水产氧的多孔结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：

s71：将20ml的0.1mol/l的nicl2·6h2o和10ml的0.1mol/l的fecl3·6h2o加入试管中混合；在500r/min搅拌速度下，搅拌半小时形成均一溶液，并将溶液加热至40℃；

s72：将0.6g白炭黑粉末加入至s71中的均一溶液中，500r/min磁力搅拌2h，使ni和fe锚定在白炭黑中；

s73：5000r/min条件下离心收集固体沉淀，并用去离子水清洗分散固体沉淀，继续离心；其中，固体产物总共离心清洗三次；

s74：将上述固体产物于空气中干燥，得到成品；其中，干燥温度70℃，干燥时间12h。

如图1-6所示：

由图1中的氮气吸附脱附形成的回滞环可以看出其介孔结构。

由图2中的孔径分布图中可以看出其孔径为20-40nm。

由图3中的x射线衍射图可以看出白炭黑和本实施例1的结构都为无定型结构。

由图4中的扫描电镜图可以看出其微观结构为颗粒堆积结构。

由图5中的透射电镜图可以看出其颗粒粒径为20-30nm。

电解水产氧实验中，将本实施例制备的2mg多孔催化剂分散在40μl的无水乙醇中，超声分散半小时；再加入40μl的4wt％的ptfe溶液，剧烈摇晃形成白色固体，继续超声半小时；将白色固体滴涂在1cm²的泡沫镍上，室温干燥后制成电极，用于电解水产氧实验。

电解水产氧实验在辰华的chi760e电化学工作站中测试，测试采用三电极系统；三电极分别为参比电极ag/agcl、对电极pt电极和工作电极；电解液为1m的koh溶液，测试温度为室温。

由图6-10所示，多孔催化电极在10ma/cm²的电流密度下的电压仅为1.476v，与理论电压1.23v相比，过电势为246mv。多孔催化电极的塔菲尔斜率为50mv/decade。多孔催化电极在20小时10ma/cm²恒电流稳定性测试中电压变化幅度不大。

图6中，扫描速率为2mv/s；图7中，扫描速率为0.5mv/s。图8中，频率范围:0.1-100khz，直流电压幅值为5mv；图9中，电流10ma/cm²，测试时间为20小时。图10中，扫描速率为2mv/s。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。