一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂及制备方法、应用

本发明属于催化剂，具体涉及一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂及其制备方法、应用。

背景技术：

1、全球能源系统正在不断向环保和低碳的方向转变。氢气作为一种清洁的可再生能源，因其储存时间长、能量密度高而备受研究关注。碱性电解水法(awe)已被广泛用于大规模工业制氢。然而，析氧反应(oer)固有的缓慢动力学限制了awe槽电压的有效降低。同时，在碱性电解质中，阴极的析氢反应(her)也表现出效率不佳的问题。传统贵金属催化剂pt、ru、pd等虽然具备较好的电解水应用效率，但是由于储量稀少且价格昂贵，难以实现大规模商业化应用。因此，设计一种同时兼具活性以及经济效益性的非贵金属电解水制氢催化剂对于发展碱性水电解池至关重要，从而实现在工业要求的高电流密度下高效电解水。

2、研究报道，由于八面体fe位点上的fe2+和fe3+之间的局部电荷转移赋予了fe3o4极佳的电子导电性，因此fe3o4被广泛用作高效的oer电催化剂。大量研究致力于通过金属掺杂、形貌控制和异质界面工程来操纵oer中间体在活性位点上的吸附强度。其中，异质结的强界面电场能够提高电催化剂的d带中心，增强中间体物种的吸附；异质结构是昂贵的电催化剂的一种可能的替代品，因为它们具有可调节的特性。异质结构的活性和稳定性的根源在于其组成成分之间的耦合。因此，建立mott-schottky效应、强金属-载体-相互作用效应、载体稳定效应和协同效应等界面组分耦合效应是提高活性和稳定性的一种很有前景的技术。稀土元素镧(la)作为一种掺杂元素，主要通过调整电子结构、生成氧空位和改变形貌结构来提高过渡金属电催化剂的oer和her性能。

3、有鉴于此，本发明提出一种新的碱性电解水催化剂——表面重构的铁基异质结构，具有高活性和稳定性的优势，是实现工业化电催化析氢的有效手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂的制备方法，利用电沉积进行原位生长，制备得到laooh/fe3o4的异质结构的碱性电解水催化剂。

2、为了实现上述目的，所采用的技术方案为：

3、一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂的制备方法，为：将铁盐、镧盐和柠檬酸钠溶解于水中，得反应溶液；以泡沫镍为工作电极，浸渍在所述的反应溶液中进行电沉积反应；将所述的反应结束后的工作电极进行冲洗、干燥，得所述的碱性电解水催化剂。

4、进一步的，所述的泡沫镍经过预处理后作为工作电极；

5、所述的预处理过程为：泡沫镍依次使用丙酮、盐酸、去离子水和乙醇在超声波下分别清洗后，干燥。

6、进一步的，所述的铁盐、镧盐和柠檬酸钠的摩尔比为10：1～5:1；

7、所述的铁盐为硝酸铁；

8、所述的镧盐为硝酸镧。

9、再进一步的，所述的铁盐为fe(no3)3·9h2o；

10、所述的镧盐为la(no3)3·6h2o；

11、柠檬酸钠为c6h5na3o7·2h2o。

12、进一步的，所述的电沉积反应的条件为：在-1.2～0.8v vs.hg/hgo的电位范围内进行电沉积反应。

13、再进一步的，所述的电沉积反应的条件为：进行100次循环伏安电沉积。

14、进一步的，将所述的反应结束后的工作电极使用高纯水和无水乙醇冲洗后，在75～85℃干燥10～14h。

15、再进一步的，将所述的反应结束后的工作电极使用高纯水和无水乙醇冲洗后，在80℃干燥12h。

16、本发明的另一个发明目的在于提供一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂，采用上述的制备方法制备而成，该催化剂具有laooh/fe3o4异质结构，利用laooh与fe3o4在电沉积过程的化学键吸附，使得活性金属位点均匀分散，提升活性位点密度同时确保在oer和her反应过程中不脱落，提高电催化析氢效率。

17、本发明还有一个发明目的在于提供上述的碱性电解水催化剂在析氧反应中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、1、本发明的技术方案，采用一步电沉积法在泡沫镍上自支撑生长laooh/fe3o4，该催化剂具有表面粗糙度和多孔性的特点。

20、2、本发明的技术方案，制备的催化剂在碱性电解液中，在大电流密度下具有较好的电催化活性和稳定性，为实现工业化提供了可能。

21、3、本发明的技术方案，制备的催化剂在纳米尺度上，异质结的形成促进了laooh和fe3o4之间的电子再分布，从而推动了整体水分离反应。

22、4、本发明的技术方案，制备的催化剂在微观尺度上，laooh/fe3o4材料的水滴接触角和解吸氢直径较小，水下气泡接触角较大，这对整个分水反应具有明显的优势。亲水性和疏气性使电极能够与电解质充分接触，从而获得所需的中间产物，同时确保氢气泡从电极表面迅速分离。随后，电极上的吸附位点再次暴露出来，重新开始后续的吸附过程。

23、5、本发明的技术方案，通过电沉积制造异质结纳米催化剂提供了一种直接的方法，而且极大地推动了高电流密度水电解催化剂设计的基础研究。为fe3o4材料成为电催化材料提供了较好的参考和引导。

技术特征：

1.一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂的制备方法，其特征在于，所述的制备方法为：将铁盐、镧盐和柠檬酸钠溶解于水中，得反应溶液；以泡沫镍为工作电极，浸渍在所述的反应溶液中进行电沉积反应；将所述的反应结束后的工作电极进行冲洗、干燥，得所述的碱性电解水催化剂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

9.一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的制备方法制备而成。

10.权利要求9所述的碱性电解水催化剂在析氧反应中的应用。

技术总结
本发明为一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂及制备方法、应用。一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂的制备方法，为：将铁盐、镧盐和柠檬酸钠溶解于水中，得反应溶液；以泡沫镍为工作电极，浸渍在所述的反应溶液中进行电沉积反应；将所述的反应结束后的工作电极进行冲洗、干燥，得所述的碱性电解水催化剂。本发明所述的一种铁基异质结构的碱性电解水催化剂及其制备方法、应用，利用电沉积得到LaOOH/Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;异质结构，在电化学过程中表面重构为FeOOH/LaOOH/Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;异质结构为整体水分离提供了高活性和稳定性，是实现工业化电催化析氢的有效手段。

技术研发人员：郁洁,陈金梁,郑煜,赵率淋
受保护的技术使用者：石河子大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16