一种非晶镍铁基纳米材料及其制备方法与应用

本发明属于催化剂，尤其涉及一种非晶镍铁基纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、工业生产为人们的生活带来便利的同时也引发了能源危机，农业、畜牧业、交通运输以及各种工业部门排放了大量的二氧化碳，导致大气中二氧化碳浓度逐年快速增长。水电解制绿氢是实现间歇性可再生能源高效利用和全球碳中和最有前途的技术之一。低温水电解槽可分为碱性系统和酸性系统，包括传统碱性电解槽(ae)、质子交换膜电解槽(pem)以及阴离子交换膜电解槽(aem)。其中aem结合了ae无贵金属催化剂、流场设计以及pem低欧姆电阻的优点，预计将是一种高效且低成本的电解槽。作为aem关键的组成部分，催化剂的开发对于提高水电解的整体效率至关重要。

2、目前商业常用的催化剂多为铱、钌等贵金属，原料稀缺、成本高昂。已经有广泛研究采用产量丰富的过渡金属作为替代，特别是镍铁基催化剂，已经被证明具有优异的oer催化活性。然而如何进一步提升镍铁基材料的oer活性，充分发挥其低成本的优点，应用于实际工业生产，仍然具有挑战性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种合成条件温和、具有良好的催化活性的非晶镍铁基纳米材料及其制备方法与应用。

2、本发明提供了一种非晶镍铁基纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1)将镍源、铁源在水中混合，得到前驱体混合液；

4、s2)将含有表面活性剂的水溶液与前驱体混合液混合后，调节ph值至酸性，得到中间体溶液；

5、s3)在低温条件下，将中间体溶液与还原剂溶液混合，反应，得到非晶镍铁基纳米材料。

6、优选的，所述镍源选自六水合二氯化镍、六水合硫酸镍、六水合硝酸镍与乙酰丙酮镍中的一种或多种；

7、所述铁源选自六水合三氯化铁、硫酸铁、九水合硝酸铁与三乙酰丙酮铁中的一种或多种；

8、所述表面活性剂选自非离子表面活性剂、季铵盐类表面活性剂与烷基硫酸盐类表面活性剂；

9、所述还原剂溶液中的还原剂选自金属氢化物类还原剂；

10、所述还原剂溶液中的溶剂选自水和/或醇溶剂。

11、优选的，所述表面活性剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮与十二烷基硫酸钠中的一种或多种；

12、所述还原剂溶液中的还原剂选自硫代硼氢化钠、氰基硼氢化钠、硼氢化钠、硼氢化钾与氢化锂铝中的一种或多种。

13、优选的，所述镍源与铁源的摩尔比为(1～4)：1；

14、所述表面活性剂与铁源的比例为(50～200)mg：1mmol；

15、所述镍源与铁源的总摩尔数与还原剂的摩尔比为1：(3～8)。

16、优选的，所述前驱体混合液中镍源与铁源的总摩尔浓度为0.05～0.5mol/l；

17、所述含有表面活性剂的水溶液中表面活性剂的浓度为5～20mg/ml；

18、所述还原剂溶液中还原剂的浓度为0.05～0.2mol/l。

19、优选的，所述中间体溶液的ph值为3～5。

20、优选的，所述低温条件的温度为5℃～15℃；

21、所述反应的温度为5℃～15℃；所述反应的时间为5～30min。

22、本发明还提供了一种上述方法所制备的非晶镍铁基纳米材料；所述非晶镍铁基纳米材料的形貌为纳米片状、颗粒状与块状中的一种或多种；所述纳米片状的片层厚度为2～5nm。

23、本发明还提供了一种上述制备方法所制备的非晶镍铁基纳米材料作为电解水析氧催化剂的应用。

24、本发明还提供了一种上述制备方法所制备的非晶镍铁基纳米材料作为碱性电解水析氧催化剂的应用。

25、与现有技术相比，本发明采用简单的液相还原法制得非晶镍铁纳米材料，制备方法简单，成本低廉，且得到的非晶态催化剂具有无定形结构以及高活性位点密度的特点；二维纳米片结构进一步提高了活性面积，且其组装而成的多孔结构有利于降低传质电阻，在电解水过程中展现了优异的催化活性，为电解水制氢大规模生产阳极催化剂提供了一种新的可能性。

26、实验结果表明，相比商用iro2，所制备得到的镍铁基纳米催化剂具有更好的催化活性。

技术特征：

1.一种非晶镍铁基纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍源选自六水合二氯化镍、六水合硫酸镍、六水合硝酸镍与乙酰丙酮镍中的一种或多种；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮与十二烷基硫酸钠中的一种或多种；

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍源与铁源的摩尔比为(1～4)：1；

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体混合液中镍源与铁源的总摩尔浓度为0.05～0.5mol/l；

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述中间体溶液的ph值为3～5。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低温条件的温度为5℃～15℃；

8.权利要求1～7任意一项制备方法所制备的非晶镍铁基纳米材料；所述非晶镍铁基纳米材料的形貌为纳米片状、颗粒状与块状中的一种或多种；所述纳米片状的片层厚度为2～5nm。

9.权利要求1～7任意一项制备方法所制备的非晶镍铁基纳米材料作为电解水析氧催化剂的应用。

10.权利要求1～7任意一项制备方法所制备的非晶镍铁基纳米材料作为碱性电解水析氧催化剂的应用。

技术总结
本发明提供了一种非晶镍铁基纳米材料的制备方法，包括以下步骤：S1)将镍源、铁源在水中混合，得到前驱体混合液；S2)将含有表面活性剂的水溶液与前驱体混合液混合后，调节pH值至酸性，得到中间体溶液；S3)在低温条件下，将中间体溶液与还原剂溶液混合，反应，得到非晶镍铁基纳米材料。与现有技术相比，本发明采用简单的液相还原法制得非晶镍铁基纳米材料，制备方法简单，成本低廉，且得到的非晶态催化剂具有无定形结构以及高活性位点密度的特点；二维纳米片结构进一步提高了活性面积，且其组装而成的多孔结构有利于降低传质电阻，在电解水过程中展现了优异的催化活性，为电解水制氢大规模生产阳极催化剂提供了一种新的可能性。

技术研发人员：王功名,潘雯
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21