本发明涉及一种负载于泡沫镍上的层状双氢氧化物阵列及其室温制备方法，尤其涉及一种负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列及其室温制备方法与应用，属于材料科学领域。
背景技术：
随着化石能源带来的能源危机和环境污染日益加剧，人们迫切需要寻找一种清洁、高效、储量丰富的新的含能体能源。氢气正是一种理想的新的含能体能源。电解水制氢是目前最受关注的制氢法之一，由于电解水的阳极析氧反应是一个复杂的四电子过程，使其具有很大的过电势，是制约电解水发展的重要原因。已知最理想的催化剂是二氧化铱和二氧化钌，然而由于其储量低且价格昂贵，使其应用受到极大限制。
目前，很多非贵金属基的材料都表现出了很好的电催化析氧反应性能，比如过渡金属氧化物、氢氧化物、磷酸化合物以及碳基材料，其中以镍铁化合物的性能最为突出。目前合成这些材料的方法主要为水热/溶剂热，高温共沉淀以及电化学沉积，但是这些合成策略都是需要额外提供大量的能量，极大提高了催化剂的成本，不符合当前世界节能的主题，且严重制约了其工业化生产的进程。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种三维镍铁层状双氢氧化物阵列及其室温制备方法，以克服现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述三维镍铁层状双氢氧化物阵列在电催化领域的用途。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种三维镍铁层状双氢氧化物阵列的室温制备方法，其包括：
提供包含铁盐和中性极性溶剂的混合溶液；
使泡沫镍与所述混合溶液接触，并于室温静置反应，获得主要由镍铁层状双氢氧化物纳米片组装形成的三维镍铁层状双氢氧化物阵列，所述三维镍铁层状双氢氧化物阵列负载于泡沫镍上。
本发明实施例还提供了由所述方法制备的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
本发明实施例还提供了一种三维镍铁层状双氢氧化物阵列，其主要由镍铁层状双氢氧化物纳米片组装形成，并具有三维多级结构。
本发明实施例还提供了前述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列在电催化领域中的用途。
本发明实施例还提供了前述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列在电催化析氧反应中的用途。
本发明实施例还提供了一种电催化材料或装置，其包含前述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：
1)本发明通过简单的室温反应制备出三维镍铁层状双氢氧化物阵列，所有反应过程均在室温下进行，室温合成不需要额外能耗，并且工艺步骤极其简单，实验条件可控，所使用试剂简单易得，原料来源广泛，成本低廉，且产率较高，适于大规模生产；
2)本发明所制备的负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列具有多级结构，是由三维片状所形成的阵列结构，催化活性位点保留多，具有高活性和优越稳定性，在电催化析氧反应中有广泛应用前景；
3)本发明的制备工艺还可拓展到其它三维层状双氢氧化物阵列的制备工艺，且产率较高，易于放大反应规模。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅作为本文发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1a-图1b分别是本发明实施例1中负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列的扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片，图1a中插图为放大的扫描电子显微镜照片。
图2是本发明实施例1中负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列粉末的x-射线衍射图谱。
图3是本发明实施例1中负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列的能量色散x射线图谱。
图4是本发明实施例1中负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列用作电极材料进行电催化析氧的极化曲线图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有的合成析氧反应催化剂的方法，如水热/溶剂热，高温热解以及电化学沉积，都是需要额外提供大量的能量，本案发明人经长期研究和大量实践后发现：三价铁离子的水解使溶液显酸性，这样促进泡沫镍的溶解，于是，酸的消耗又进一步推动三价铁的水解，这样镍铁离子的这种协同作用促使其在泡沫镍表面原位生成镍铁双氢氧化物阵列，形成过程如下式(1)-(3)所示。基于此发现，本案发明人得以提出本发明的技术方案，其如前文所述，以下将对其作更为详尽的解释。
(1)fe3++(x+y)h2o→[fe(oh)x(h2o)y]3-x++xh+
(2)3ni+8h++2no3-→3ni2++2no+4h2o
(3)ni2++[fe(oh)x(h2o)y]3-x++no3-+h2o→nifeldh
作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种三维镍铁层状双氢氧化物阵列的室温制备方法，其包括：
提供包含铁盐和中性极性溶剂的混合溶液；
使泡沫镍与所述混合溶液接触，并于室温静置反应，获得主要由镍铁层状双氢氧化物纳米片组装形成的三维镍铁层状双氢氧化物阵列，所述三维镍铁层状双氢氧化物阵列负载于泡沫镍上。
在一些实施例中，所述制备方法可具体包括：
将泡沫镍浸入溶有铁盐溶的中性极性溶剂，并进行室温静置反应，制得由纳米片组装形成的负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
在一些实施例中，所述泡沫镍与铁盐的质量比为2～6：1～5。
在一些实施例中，所述铁盐包括六水合三氯化铁、九水合硝酸铁、四水合氯化亚铁、七水合硫酸亚铁、硫酸铁(ⅲ)和乙酰丙酮铁(ⅲ)等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些实施例中，所述中性极性溶剂包括水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇和n，n-二甲基甲酰胺等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
前述铁盐和中性极性溶剂等可选自但不仅限于上文所列的种类。
进一步地，在一典型实施例之中，所述制备方法可以包括：首先将硝酸铁溶于水和乙醇的混合溶液中，加入泡沫镍室温静置反应12～72h，之后取出室温反应后的泡沫镍，并清洗，室温干燥，获得目标产物。
进一步地，在一典型实施例之中，所述制备方法可以具体包括：取铁盐与中性极性溶剂于室温混合后超声均匀分散，使铁盐溶于中性极性溶剂中，形成所述混合溶液。
进一步地，所述铁盐与中性极性溶剂的质量体积比为0.02～0.1g：5～30ml。
在一些较为优选的实施方案之中，所述制备方法可以包括：取质量为0.02～0.1g的铁盐溶于5～30ml中性极性溶剂。
进一步地，所述制备方法具体包括：将泡沫镍完全浸没于所述混合溶液中，之后于室温静置反应12～72h，获得所述三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
进一步地，所述制备方法还包括：在反应完成后，对所获三维镍铁层状双氢氧化物阵列进行清洗，并于室温干燥。
其中，作为一更为具体的实施方案之一，所述制备方法可以包括以下步骤：
ⅰ、取铁盐与中性极性溶剂混合后超声均匀分散；
ⅱ、向步骤ⅰ最终所获混合溶液加入泡沫镍，并使泡沫镍完全浸没，随后于室温下静置反应12～72h；
ⅲ、取出由步骤ⅱ室温反应后的泡沫镍，并清洗，室温干燥，获得所述的负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
本发明通过简单的室温反应制备出三维镍铁层状双氢氧化物阵列，所有反应过程均在室温下进行，室温合成不需要额外能耗，并且工艺步骤极其简单，实验条件可控，所使用试剂简单易得，原料来源广泛，成本低廉，且产率较高，适于大规模生产。
本发明的制备工艺还可拓展到其它三维层状双氢氧化物阵列的制备工艺，且产率较高，易于放大反应规模。
作为本发明技术方案的另一个方面，其还涉及由前述方法制备的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
作为本发明技术方案的另一个方面，本发明还提供了一种三维镍铁层状双氢氧化物阵列，其主要由镍铁层状双氢氧化物纳米片组装形成，其形貌尺寸均一，并具有三维多级结构。
优选的，所述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列负载在泡沫镍上。所述三维多级结构包括镍铁层状双氢氧化物纳米片形成的阵列和泡沫镍提供的三维结构，有效地保留了活性位点，使其保持了材料在电催化过程中优越的性能。
进一步的，所述三维镍铁层状双氢氧化物阵列形貌尺寸均一，并且可大量制备，其三维多级结构为其保持优越的电化学性能提供了必要条件。
本发明所制备的负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列具有多级结构，是由三维片状所形成的阵列结构，催化活性位点保留多，具有高活性和优越稳定性，在电催化析氧反应中有广泛应用前景。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列在电催化领域中的用途。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列在电催化析氧反应中的用途。
例如，在一些实施例之中提供了一种电催化材料或装置，其包含所述的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
进一步地，所述的电催化材料或装置可以是电催化析氧材料或装置、电催化析氢材料或装置、电催化氧还原材料或装置等等，且不限于此。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合若干优选实施例对本发明的技术方案进行进一步具体描述，但本发明并不仅仅局限于下述实施例，该领域技术人员在本发明核心指导思想下做出的非本质改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
实施例1
将0.06g(0.15mmol)的九水合硝酸铁溶于20ml水和乙醇体积比为3:1的混合溶液中，超声分散均匀，随后加入1.5cm×3cm的泡沫镍0.16g，室温静置24h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
从图1a-图1b中可以看出，本实施例所获的三维镍铁层状双氢氧化物阵列产物形貌尺寸均一，且具有三维多级结构，这种多级结构包括镍铁层状双氢氧化物纳米片的阵列和由泡沫镍提供的三维结构。再请参阅图2和图3，通过粉末x射线衍射和能量色散x射线图谱可知，该片状材料为镍铁层状双氢氧化物。
取1cm×1cm的负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列作为工作电极。电催化析氧反应性能使用传统的三电极系统进行测量，银/氯化银电极作为参比电极，铂片电极作为对电极，以5毫伏每秒的扫描速度测得的线性扫描伏安曲线来表征其电催化性能。图4中电位已进行欧姆补偿并且转换成相对于可逆氢电极的电位。
实施例2
将0.02g(0.05mmol)的九水合硝酸铁溶于30ml水和乙醇体积比为3:1的混合溶液中，超声分散均匀，随后加入1.5cm×2.3cm的泡沫镍0.12g，室温静置48h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
实施例3
将0.1g(0.25mmol)的九水合硝酸铁溶于30ml水和乙醇体积比为3:1的混合溶液中，超声分散均匀，随后加入1cm×1.1cm的泡沫镍0.04g，室温静置48h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列
实施例4
将0.04g(0.15mmol)的六水合三氯化铁溶于20ml水中，超声分散均匀，随后，加入1.5cm×3cm的泡沫镍0.16g，室温静置72h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
实施例5
将0.06g(0.15mmol)的硫酸铁溶于20ml水中，超声分散均匀，随后，加入1.5cm×3cm的泡沫镍0.16g，室温静置72h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
实施例6
将0.055g(0.2mmol)的七水合硫酸亚铁溶于20ml水和甲醇体积比为5:1的混合溶液中，超声分散均匀，随后加入1.5cm×3cm的泡沫镍0.16g，室温静置72h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
实施例7
将0.04g(0.2mmol)的四水合氯化亚铁溶于5ml水和甲醇体积比为6:1的混合溶液中，超声分散均匀，随后加入1.5cm×3cm的泡沫镍0.16g，室温静置12h，即可得到负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列。
此外，本案发明人还利用前文所列出的其它原料以及其它工艺条件等替代实施例1-7中的各种原料及相应工艺条件进行了相应试验，所获三维镍铁层状双氢氧化物阵列的形貌、性能等亦较为理想，基本与实施例1-7产品相似。
本发明通过简单的室温法制备出负载于泡沫镍上的三维镍铁层状双氢氧化物阵列，不仅无能耗，成本低廉，且工艺简单可控，原料来源广泛，产率较高，适于大规模生产，同时所获产物形貌尺寸均一，具有三维多级结构，催化活性位点保留多，具有高活性和优越稳定性，在电催化析氧领域有广泛应用前景。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。