一种稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂的制备方法

本发明涉及电催化，尤其涉及一种稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂的制备方法。

背景技术：

1、随着全球能源转型的迫在眉睫，氢能作为清洁高效的能源载体备受瞩目。电解水制氢作为一种前景广阔的氢能生产方法，其效率主要受到析氧反应（oer）的制约。oer涉及4个电子转移，反应动力学较缓慢。尽管商业化的iro2在oer方面表现出色，但由于贵金属资源的有限性和成本问题，研究者们迫切需要开发基于地球丰富元素的高效电催化剂。最近，在地球储量丰富的过渡金属基催化剂中引入稀土金属元素可通过改善主体材料的电子结构，进一步提高催化性能，因而展现出良好的oer性能，引起了广泛关注。

2、目前报道的的稀土掺杂的过渡金属基催化剂大多为晶态化合物，但非晶态催化剂因其无序结构未达到配位饱和，不仅具有更高的催化活性位密度，而且没有长程有序结构所以不易产生在晶态催化剂中常见的晶格重构问题，是目前研究的热点方向。非晶材料通常需要采用较快的冷却速度来制备，但快速冷却并非万能。以gd与nife为例，虽然可以通过快速冷却的方式形成非晶合金，但gd的掺杂比例在30%-70%左右，较高占比的稀土金属会将催化剂成本大幅提升，不利于其商业化推广。而如果降低稀土金属的比例，仅靠常规的冷却处理操作往往无法得到非晶态合金。因此对稀土掺杂的过渡金属基催化剂来说，寻找合适的组合以及制备条件来满足非晶态结构的稳定制备仍然是一个巨大的挑战。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂的制备方法。

2、为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

3、本发明提供一种稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、a、将泡沫镍进行清洗预处理；

5、b、将稀土金属盐、镍盐、铁盐与调节剂配置成反应溶液；

6、c、将步骤a预处理后的泡沫镍置于步骤b中的反应溶液中，并在功率为60 kw~80kw高频交变磁场设备中进行加热处理，接着调至功率为30 kw降温，并取出泡沫镍冲洗、干燥得到镍铁基非晶电催化剂。

7、在一些实施例中，在步骤a中，所述预处理具体包括以下步骤：将裁剪好的泡沫镍1cm*5 cm在丙酮、乙醇和盐酸中分别超声20 min，然后用去离子水和乙醇交替冲洗，再放入60℃真空烘箱中干燥2 h，其中盐酸浓度为6 mol/l，乙醇体积分数为90%。

8、在一些实施例中，在步骤b中，所述稀土金属盐包括六水合硝酸镧、六水合硝酸铈、六水合硝酸镨、六水合硝酸钕、六水合硝酸钷、六水合硝酸钐、六水合硝酸铕、六水合硝酸钆、六水合硝酸铽、六水合硝酸镝、六水合硝酸钬、六水合硝酸铒和六水合硝酸铥中的至少一种。

9、在一些实施例中，在步骤b中，所述铁盐为九水合硝酸铁，所述镍盐为六水合硝酸镍。

10、在一些实施例中，在步骤b中，所述镍盐与铁盐的摩尔比为1:1。

11、在一些实施例中，在步骤b中，所述调节剂包括尿素与氟化铵。

12、在一些实施例中，在步骤b中，所述稀土金属盐占镍盐与铁盐摩尔总量的1%~10%。

13、在一些实施例中，在步骤c中，所述加热的升温速率为0.625℃/s，加热温度为100℃，保温时间为1~10 min。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

15、本发明方法通过在在步骤c中材料降温过程中引入高频交变磁场，借助稀土与镍铁的铁磁耦合作用，使材料来不及形成有序的晶体结构，从而促进了非晶态结构的形成，该非晶催化剂表现出比晶态结构催化剂更优秀的催化性能。

16、本发明制备的稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂中所适用的稀土金属种类较多，选用不同的稀土金属掺杂可以制得不同的非晶催化剂。

17、本发明中稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂可直接作为工作电极，在oer反应中仅需306 mv的过电位来产生100 ma cm-2的电流密度，47.04 mv dec-1的tafel斜率表明该催化剂有较活跃的反应动力学，说明本发明制备的非晶态催化剂具有良好的电催化oer活性。

18、本发明通过在镍铁基催化剂中掺杂稀土元素，显著提高了催化其在析氧反应中的催化性能。稀土元素的掺杂不仅提高了催化剂的稳定性，还降低了过电位，使得在较低的电压下就能实现高效的析氧反应。此外，本发明的制备方法简单、成本低廉，且环境友好，不需要使用昂贵的贵金属，稀土元素掺杂量较低，有利于大规模生产和商业化应用本发明旨在提供了一种工艺简单、耗时短的稀土元素掺杂的镍铁基非晶oer催化剂的制备方法。利用稀土金属与铁钴镍的铁磁耦合效应，在高频交变磁场下进行热处理，实现稀土掺杂的过渡金属基非晶催化剂的制备，不仅成本由于稀土掺杂比例的明显下降而大为降低，而且性能显著提升。本发明为稀土掺杂的过渡金属基非晶催化剂的制备提供了更具商业前景的催化剂材料。

技术特征：

1.一种稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂的制备方法，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，在步骤a中，所述预处理具体包括以下步骤：将裁剪好的泡沫镍1cm*5 cm在丙酮、乙醇和盐酸中分别超声20 min，然后用去离子水和乙醇交替冲洗，再放入60℃真空烘箱中干燥2 h，其中盐酸浓度为6 mol/l，乙醇体积分数为90%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述稀土金属盐包括六水合硝酸镧、六水合硝酸铈、六水合硝酸镨、六水合硝酸钕、六水合硝酸钷、六水合硝酸钐、六水合硝酸铕、六水合硝酸钆、六水合硝酸铽、六水合硝酸镝、六水合硝酸钬、六水合硝酸铒和六水合硝酸铥中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述铁盐为九水合硝酸铁，所述镍盐为六水合硝酸镍。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述镍盐与铁盐的摩尔比为1:1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述调节剂包括尿素与氟化铵。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，所述稀土金属盐占镍盐与铁盐摩尔总量的1%~10%。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤c中，所述加热的升温速率为0.625℃/s，加热温度为100℃，保温时间为1~10 min。

技术总结
本发明涉及电催化技术领域，尤其涉及一种稀土元素掺杂的镍铁基非晶电催化剂的制备方法，包括以下步骤：A、将泡沫镍进行清洗预处理；B、将稀土金属盐、镍盐、铁盐与调节剂配置成反应溶液；C、将步骤A预处理后的泡沫镍置于步骤B中的反应溶液中，并在功率为60 kw~80 kw高频交变磁场设备中进行加热处理，接着调至功率为30 kW降温，并取出泡沫镍冲洗、干燥得到镍铁基非晶电催化剂。本发明通过在镍铁基催化剂中掺杂稀土元素，显著提高了催化其在析氧反应中的催化性能。稀土元素的掺杂不仅提高了催化剂的稳定性，还降低了过电位，使得在较低的电压下就能实现高效的析氧反应。

技术研发人员：李金阳,李佳阳,王琨,郑晨,黄山芮,周祚万,龚宽平
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24