狗尾草状钴酸镍@羟基氧化铁分级纳米阵列催化剂材料

本发明属于电解水催化剂材料，具体涉及一种狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列催化剂材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，化石燃料的过度使用导致了一系列问题，包括环境污染、全球变暖和能源危机，因此，发展绿色可再生能源势在必行。与其他可再生能源相比，电解水制氢具有原材料丰富，能够稳定持续提供能源等优点。目前，电解水制氢面临的最大挑战在于其缓慢的动力学过程需要高效的催化剂来加快反应速率，进而提高能量转化效率。因此，高性能催化剂材料的设计与开发已成为电解水领域近些年的研究热点。

2、结构设计是增强催化剂材料电化学性能的有效策略。1d纳米结构可以为电子传输提供直接路径，从而有利于电子的传导。纳米片是典型的2d纳米结构。具有大比表面积的2d纳米结构十分有利于与电解质的接触，从而表现出高的电活性材料利用率。分级纳米结构是由一些简单的低维比如(1d)纳米结构作为主要结构单元，按照特定的排列方式生成2d纳米结构，最终组装成的规则有序三维结构。一维结构和二维结构结合成精细的纳米晶体形式，会使电荷转移电阻较低；两种层次混合结构中有足够的空间，活性材料产生的机械应变和体积膨胀速度可以有效地缓冲法拉第反应；与单一二维材料相比，一维芯材料具有更好的导电性，可以促进离子/电子的快速转移。因此，在一维纳米结构上按照特定的排列方式生成二维纳米结构这种构筑催化剂材料的方式是可行并且科学的。比如一维cf表面均匀生长mno2/ni(oh)2纳米片，cnts@nio/coo的1d@2d分级纳米结构催化剂材料，nio纳米线@nio纳米片，co3o4纳米线和ni(oh)2纳米片，cos@nico2s4分级纳米结构，nise@ni3se2的1d@2d分级纳米结构等。由此可见，通过构筑一维、二维复合纳米结构将是提升电解水材料性能的有效手段，在此基础上合成狗尾草状复合纳米结构催化剂材料值得研究，目前未见相关报道。

技术实现思路

1、为更好地提升电解水的效率，本发明目的在于提供一种狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列催化剂材料及其制备方法。

2、为实现本发明目的，本发明以nico2o4纳米带为模板，采用电沉积的方法在nico2o4纳米带上直接合成狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列材料。

3、其制备方法为：首先将一定比例的硝酸钴，氟化铵和尿素与处理过的泡沫镍一起放入反应釜内，水热，制得nico2o4前驱体，通过退火处理制得nico2o4纳米带，再以nico2o4纳米带为模板电沉积合成兼有一维和二维结构特点的狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列材料。

4、具体通过以下步骤实现：

5、1)nico2o4前驱体的制备：将硝酸钴、氟化铵和尿素混合溶解，加入预处理好的泡沫镍，放入反应釜中，水热反应，结束后，自然冷却，洗涤泡沫镍，真空干燥，获得nico2o4纳米带前驱体。水热的温度优选为100-150℃。

6、2)nico2o4纳米带阵列的制备：nico2o4前驱体放入管式炉中，一定温度下退火处理，自然降温，获得nico2o4纳米带阵列。退火温度优选200-500℃，退火时间优选为2-3小时。

7、3)狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列的合成：将nico2o4纳米带阵列作为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂片电极为对电极在含有七水硫酸亚铁的电解液中利用恒电位法进行电沉积操作，之后取出，洗涤，真空干燥，即可获得狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列。

8、步骤(1)所述硝酸钴的物质的量浓度为26.6mm～40mm。

9、步骤(3)所述七水硫酸亚铁的浓度为0.15m～0.45m。

10、所述泡沫镍的预处理：将市售的泡沫镍用盐酸超声处理，去除表面的氧化物；再用无水乙醇、去离子水交替清洗，真空干燥备用即可。

11、电化学性能测试：将获得的狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列直接用作电解水催化材料电极，在三电极系统中测试其电催化性能。铂片电极和饱和甘汞电极(sce)分别用作对电极和参比电极，电解质为1.0mol/l koh溶液。线性扫描和活性表面积在电化学工作站(chi660e，上海辰华)测试完成。

12、本发明优点和创新点如下：

13、①本发明以硝酸钴、尿素、氟化铵、硫酸亚铁等这些常见的无机物为原料，价格便宜，成本低、操作简单、效率高，且能高效地获得狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列，所得材料纯度高，无杂质。

14、②所得狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列催化剂材料纳米复合阵列兼有一维和二维的结构特点，即在一维的nico2o4纳米带外面包裹二维超薄feooh纳米片，形成了一种狗尾草状的独特结构。feooh纳米片和nico2o4纳米带两种层次混合结构中有足够的空间，活性材料产生的机械应变和体积膨胀速度快且时间长可以有效地缓冲法拉第反应；与单一二维材料相比，一维芯材料具有更好的导电性，可以促进离子/电子的快速转移。同时该纳米复合阵列中的ni、co、o、fe多种原子之间呈现出良好的协同作用；还具有较低的电荷转移电阻和溶液中的电阻等，这些优势使其非常适用于电解水催化剂材料。

15、③与nico2o4纳米带相比，所得狗尾草状nico2o4@feooh分级纳米阵列催化剂材料具有更优异的电化学性能，电流密度达到10ma·cm-2时仅需243mv的过电势，较低的塔菲尔斜率(42.43mv·dec-1)和较高的电化学活性表面积(324mf·cm-2)。

技术特征：

1.狗尾草状钴酸镍@羟基氧化铁分级纳米阵列催化剂材料，其特征在于，通过以下方法制备而成：

2.如权利要求1所述的狗尾草状钴酸镍@羟基氧化铁分级纳米阵列催化剂材料，其特征在于，步骤（1）所述硝酸钴的物质的量浓度为26.6 mm～40 mm；

技术总结
本发明公开了一种狗尾草状NiCo<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@FeOOH分级纳米阵列催化剂材料，属于电解水催化剂材料技术领域。其通过如下步骤制备而成：将硝酸钴，尿素，氟化铵及用酸处理过的泡沫镍放入反应釜中水热制得NiCo<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;前驱体，再在管式炉中退火得到纳米带状的NiCo<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;，最后通过电沉积方法在一维NiCo<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;纳米带上合成超细纳米针FeOOH，最终形成相互交错的三维NiCo<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@FeOOH纳米复合阵列催化剂材料，酷似自然界中的狗尾草。所得催化剂材料具有优异的催化电解水性能，在1 mol·L<supgt;‑1 </supgt;KOH溶液中，电流密度达到10 mA·cm<supgt;‑2</supgt;时仅需243 mV的过电势，较低的塔菲尔斜率（42.43 mV·dec<supgt;‑1</supgt;）和较高的电化学活性表面积（324 mF·cm<supgt;‑2</supgt;）。

技术研发人员：朱琳,詹俊龙,杜卫民,周冰凡,殷会春,夏梦婷,胡丹
受保护的技术使用者：安阳师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16