一种羟基氧化铁催化剂的制备方法、产品及应用

1.本发明属于新材料技术领域，涉及一种具有纳米片结构的feooh催化剂的合成方法及其产品和应用。


背景技术：

2.羟基氧化铁是一类具有高本征析氧活性的过渡金属材料，其在减少贵金属使用方面具有大的应用潜力。然而，纯的feooh由于其导电性较低，析氧反应活性相对较弱等现象，使得其很少单独用作析氧反应(oer)催化剂。因此，大幅度提高feooh的本征活性有利于丰富铁资源在未来电解水工业化中的利用。
3.目前为止，对feooh性能的改进主要有金属或非金属元素掺杂，与其他析氧物种耦合等。例如通过电活化的方式,在10ma cm-2
的电流密度下将fese/if原位氧化为se掺杂的feooh,制备se-feooh的时间为4小时，虽然其oer活性得到了明显的提升，但是制备方法耗时耗能，且制备所需的器件繁杂昂贵(参考文献.journal of the american chemical society 141(2019)7005-7013)；与金属co及其羟基氧化物耦合虽然可以引入新的析氧反应活性位以及提升催化剂的整体导电性，但是制备所需的药品除了钴、铁盐外，还需额外需要引入泡沫镍网、硝酸铵、硝酸锌、乙二酸铵、氯化钠等添加剂，制备成本高等难以实现商业化运营(参考文献angewandte chemie international edition 11(2016)3694-3698)。上述这些制备或处理方法的缺点及不足限制了具有巨大应用前景的feooh催化剂的低成本且大量制备。
4.因此，如何在室温环境下合成具有高活性的feooh催化剂，并使其制备方法简洁、高效、绿色，是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种温和、简洁、绿色、快速的方法合成具有纳米片结构的f-feooh催化剂，在减少制备时间与成本的同时，还能实现f元素的掺杂，从而使催化剂整体的oer活性得到大幅度的提升。通过向溶液中加入氟化铵添加剂，使氟离子在铁网表面发生水解，在促进氢离子与泡沫铁网反应并释放fe离子的同时，还可为feooh的生长提供弱酸的环境，反应条件温和、所得催化剂氧析出反应性能高，形貌均匀可控，可以大规模生产，这对铁基高析氧活性材料的工业化生产及其应用的拓展具有重要意义。
6.本发明首先提供了一种羟基氧化铁催化剂制备方法，其包括以下步骤：配置氟化铵溶液；将铁源浸泡在氟化铵溶液中静置反应。
7.进一步的，所述的铁源为泡沫铁网。
8.进一步的，所述的静置反应温度为15-40摄氏度。
9.进一步的，所述的静置反应温度为25摄氏度。
10.进一步的，所述的静置反应时间为6-20小时。
11.进一步的，所述的静置反应时间为12小时。
12.进一步的，所述的氟化铵溶液是由氟化铵加入到去离子水中剧烈搅拌得到；还包括将静置反应产物在真空干燥箱中干燥的步骤。
13.本发明还提供了上述方法制备的羟基氧化铁催化剂产品。
14.进一步的，所述产品为具有纳米片结构的f-feooh催化剂纳米材料。
15.此外，本发明还提供了上述的羟基氧化铁催化剂产品在电催化材料、吸附或纳米器件制备中应用。
16.本发明提供了一种温和、快速、简便、绿色且高效的新合成方法来提高feooh催化剂的活性与稳定性。与传统方法相比，本发明具有以下突出优点：1、反应所用试剂易得、价廉、绿色无污染；2、反应条件简单、反应可快速进行、节约能源、节省时间；3、产物析氧活性与稳定性均得到了大的提升；4、改善了室温条件下feooh物种难以制备的缺陷；5、该方法扩展了制备过渡金属feooh催化剂的合成方法，对研究铁基析氧活性位催化剂的形成机理研究、工业化大规模生产及扩展其在催化、吸附、纳米器件制备等方面的应用具有重要的指导意义。
附图说明：
17.图1为实施例1制备的f-feooh催化剂的xrd图。
18.图2为实施例1制备的f-feooh催化剂的sem图。
19.图3为实施例1制备的f-feooh催化剂的edx图。
具体实施方式：
20.下面结合具体实验方案和附图阐述本发明的技术特点，但本发明并不局限于此。下面实施例所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述仪器及材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
21.本发明利用泡沫铁网在温和的室温环境下，通过含氟化铵添加剂的水溶液简单浸泡即可制得具有纳米片结构的铁基析氧催化剂，具体包括以下步骤：
22.(1)在室温条件下，将一定量的氟化铵加入适量去离子水中形成混合溶液。
23.(2)将铁源浸泡在氟化铵溶液中静置反应。铁源优选泡沫铁网。静置反应温度为15-40摄氏度，优选为25摄氏度。反应时间为6-20小时优选为12小时。
24.此外，还可包括将静置反应产物在真空干燥箱中干燥的步骤。
25.实施例1：
26.室温浸泡快速构筑f-feooh催化剂的合成方法如下：一定量的氟化铵加入到100毫升去离子水中，剧烈搅拌使其混合均匀，向上述溶液中加入1片1
×
1厘米的泡沫铁网；在室温条件下静置反应12小时，将制备的产物在真空干燥箱中干燥，即可得到f-feooh催化剂。对样品进行xrd表征,如图1所示，可以看出所合成产物中有feooh,fe和fe2o3的特征峰，其中fe2o3可能是由于表征时铁网在空气中的氧化所致。对其进行sem表征，如图2所示，可看出泡沫铁网表面均匀的生长了一层交联状的纳米片。图3为f-feooh催化剂的x射线能谱分析(edx)图，可以看出元素fe、o和f均匀的分布，表明氟可能以掺杂的状态存在于feooh催化剂中。
27.综上，本发明利用室温浸泡的方式快速合成了具有纳米片结构的f-feooh析氧化
材料，通过x-射线衍射分析证实了合成的材料为feooh；通过扫描电子显微镜表征了其尺寸和纳米片形貌；通过x射线能谱分析了fe、o和f元素均匀的分布。该方法简洁、温和、高效、绿色，为铁基析氧材料的工业化生产提供了有效指导，对拓展铁基化合物在催化、吸附、光电磁材料等领域的应用存在重要价值。
28.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。


技术特征：
1.一种羟基氧化铁催化剂制备方法，其特征在于包括以下步骤：配置氟化铵溶液；将铁源浸泡在氟化铵溶液中静置反应。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的铁源为泡沫铁网。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的静置反应温度为15-40摄氏度。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的静置反应温度为25摄氏度。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的静置反应时间为6-20小时。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的静置反应时间为12小时。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的氟化铵溶液是由氟化铵加入到去离子水中剧烈搅拌得到；还包括将静置反应产物在真空干燥箱中干燥的步骤。8.权利要求1-7中任一项所述方法制备的羟基氧化铁催化剂产品。9.根据权利要求8所述的羟基氧化铁催化剂产品，其特征在于：所述产品为具有纳米片结构的f-feooh催化剂纳米材料。10.权利要求8或9所述的羟基氧化铁催化剂产品在电催化材料、吸附或纳米器件制备中应用。

技术总结
本发明属于新材料技术领域，涉及一种羟基氧化铁催化剂的制备方法、产品及应用。该制备方法包括以下步骤：配置氟化铵溶液；将铁源浸泡在氟化铵溶液中静置反应。该产品为具有纳米片结构的F-FeOOH催化剂纳米材料。该应用是本发明羟基氧化铁催化剂产品在电催化材料、吸附或纳米器件制备中应用。本发明公开了一种温和、简洁、快速合成具有纳米片结构的F-FeOOH催化剂的方法，所用原料和溶剂廉价易得，无污染，对合成具有低成本高催化性能铁基析氧催化材料的制备及其应用具有重要意义。料的制备及其应用具有重要意义。料的制备及其应用具有重要意义。


技术研发人员：董斌 张鑫宇 董宜文 柴永明
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2022.06.08
技术公布日：2022/9/23