一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用.pdf

日期: 2024-07-10 23:03:31|浏览: 25|编号: 79934

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一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及在电解水中的应用.pdf

本发明以泡沫镍为基质合成镍钴硫化物,涉及一种析氧电催化剂的制备方法及应用。首先采用溶剂热法以硝酸钴、硝酸镍、腺嘌呤为原料,在泡沫镍上合成镍钴有机骨架前驱体,然后在氮气氛围下采用高温可控热处理方法添加硫元素,合成高效析氧电催化剂。该催化剂在1M KOH溶液中电解水时,仅需109mV的过电位即可达到10mA/cm2的电流密度,Tafel斜率仅为38.81mV/dec,长期使用后催化剂性能仍能保持稳定。

(19)国家知识产权局

(12)发明专利申请

(10)申请公开号

(43)申请公开日:2023.12.22

(21)申请编号2.7

(22)申请日期:2023年1月18日

(71)申请人:内蒙古大学

地址:内蒙古自治区呼和浩特市

汉区大学西路235号

(72)发明人:王勤、李成超、杜雨萌

(51)国际法

/091(2021.01)

C25B1/04(2021.01)

1 页权利要求书 3 页说明书 6 页附图

(54)发明名称

一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及

电解水应用

(57)摘要

本发明以泡沫镍为基质,合成镍钴硫化物。

本发明涉及一种析氧电催化剂的制备方法及其应用。

热法以硝酸钴、硝酸镍和腺嘌呤为原料,在泡沫

在镍上合成了镍钴有机骨架前体,然后

采用大气条件下高温可控热处理添加硫元素

它已成为一种高效的析氧电催化剂。

当用KOH溶液电解水时,仅产生109

过电位可达10mV

mA/cm2,塔菲尔斜率仅为38.81

mV/dec,长期使用后仍能保持催化剂的性能

穩定。

权利要求 1/1 页

1.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在电解水的应用,其特征在于:

该材料前驱体的制备方法中反应物的质量比为硝酸钴:硝酸镍:腺嘌呤=1:0.999:2.784。

2.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在电解水的应用,其特征在于:

该前体的制备方法中溶剂为去离子水,溶解每克腺嘌呤所用的水量为16.892

毫升,溶解

每克硝酸钴和硝酸镍混合物所用的水量为29.100

毫升

3.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在电解水的应用,其特征在于:

该材料前驱体的制备方法中反应条件为:反应温度为120

℃,反应时间为12

H。

4.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在电解水的应用,其特征在于:合成的镍钴

硫化物基催化剂用于电催化条件下的析氧反应。

5.一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在电解水的应用,其特征在于:

1中的催化剂

氢氧化钾

电解溶液中的水时,仅 109

过电位可达10mV

电流密度为mA/cm。

说明书 1/3 页

一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在水电解中的应用

技术领域

本发明属于电催化纳米材料领域,具体涉及一种镍钴基硫化物析氧电催化材料的制备方法。

制备方法及其在水电解析氧反应中的应用。

背景技术

日益严重的环境问题、化石燃料的枯竭不断影响着人们的生产和

在全球能源安全和可持续发展的技术需求下,开发新能源材料已成为紧迫的研究课题。

在能源工业快速发展的推动下,找到高效生产清洁能源和安全储存的方法势在必行。

产生氢气最有效的方法之一是产生氧气,然而阳极的析氧反应(OER)限制了水电解的效率。

采用高活性、稳定的电催化剂,克服动力学障碍,促进反应快速、稳定进行。

商业 Ir/

Ru基OER催化剂的高成本限制了其工业应用。

过渡金属基催化剂是替代贵金属材料的可行且可选的解决方案。

大量具有高效OER性能的非贵金属材料,如尖晶石氧化物、钙钛矿、层状双氢氧化物等已被发现。

电位一般在200mV以上,而硫化物具有较高的导电性和丰富的氧化还原化学性,且结构多样。

有望成为贵金属催化剂的理想替代品,开发用于OER的新型硫化物材料具有重要意义。

催化水分解作为一种可持续的绿色能源生产过程,正在成为制氢的有前途的替代能源。

该生产工艺有望解决能源危机和日益严重的环境问题。

发明内容

本发明旨在提供一种镍钴基硫化物催化剂的制备方法及其在电解水中的应用。

研究结果表明,该催化剂具有优异的析氧电催化活性和良好的化学稳定性。

采用简易水热法和高温硫化法合成的镍钴基硫化复合材料。本发明的目的是通过如下技术方法得到镍钴基硫化复合材料:

本案取得:

首先,按照一定的投料比称量硝酸钴、硝酸镍和腺嘌呤,放入一定量的去离子水中。

将处理好的泡沫镍和超声处理后的混合溶液放入烧杯中,室温下超声溶解30分钟,然后将处理好的泡沫镍和超声处理后的混合溶液放入

反应器内温度为 120°C

反应12h

,得到负载镍钴前驱体的泡沫镍,再负载镍钴前驱体

将泡沫镍置于管式炉进气口,称量硫粉置于进气口,加热至350 ℃。

在此条件下反应2h,得到镍钴基硫

该催化剂为1

氢氧化钾

当溶液电解水时,仅需109mV的过电位就能达到10

电流 mA/cm

密度,而塔菲尔斜率仅为

38.81mV/dec,且使用40小时后催化剂性能仍能保持稳定。

研究结果表明,本发明的镍钴硫化物催化剂有望应用于电催化反应的析氧反应。

本发明的优点在于:

本发明的制备方法原料来源丰富、价格低廉、工艺操作简单、可操作性强。

通过上述方法制备的镍钴基硫化物催化剂表现出高效的OER性能,表明所得镍钴硫化物催化剂

它是一种高效的析氧反应催化剂。

本发明的主要特点是:

本发明采用简单的工艺路线、温和的反应条件,制备出镍钴基硫化物析氧催化剂。

使用说明书 2/3 页

镍钴基硫化物前驱体的制备方法中各反应物的质量配比为:硝酸钴:硝酸镍:腺嘌呤

1:0.999:2.784;镍钴基硫化物前驱体的制备方法中溶剂为去离子水,每克所用腺嘌呤的量为

水量为16.892

mL,每克硝酸钴和硝酸镍混合物中水的量为29.100

毫升

; 镍钴基硫化物

该驱动体的制备方法中反应条件为:反应温度为120℃,反应时间为12h;合成的镍钴基硫化物沉淀

该氧电催化材料应用于电催化条件下的析氧反应,效果优异。

催化材料1

氢氧化钾

仅限 109

过电位可达10mV

电流密度为mA/cm。

附图的简要说明

图1为镍钴基硫化物催化剂的X射线衍射谱图;

图2为镍钴基硫化物催化剂的扫描电镜照片;

图3为镍钴基硫化物催化剂的透射电子显微镜图像;

图4为镍钴基硫化物催化剂的能量色散X射线谱仪图像;

图5为镍钴基硫化物催化剂析氧反应极化曲线图;

图6为镍钴基硫化物催化剂析氧反应Tafel斜率图;

图7为镍钴基硫化物催化剂的析氧反应稳定性图。

执行

例子

镍泡沫(NF)基材的预处理:将20 mm×35 mm×1.5 mm镍泡沫片依次沉淀在3 M盐酸溶液中。

将混合物在5%乙醇和1%丙酮中超声处理30 min,在1:1丙酮-乙醇混合溶液中超声处理20 min,然后在去离子水中超声处理30 min。

超声处理10分钟,然后用去离子水清洗三次,最后在60℃真空干燥箱中干燥6小时,即可得到干净的泡沫镍;

将0.2027g腺嘌呤置于含有12mL去离子水的烧杯中,室温下超声处理10分钟,得到溶液1。

将0.0727 g硝酸镍六水合物和0.0728 g硝酸钴六水合物放入5 mL去离子水中,室温下超声处理10分钟。

得到硝酸镍钴混合溶液2,在室温下,在超声波作用下,将硝酸镍钴混合溶液2滴加。

加入溶液1中,超声处理30分钟,得混合溶液3;

将处理后的泡沫镍和混合溶液3转移至反应釜中,在30℃的烘箱中加热。

升温速度为6℃/min,当温度达到120℃时,在此温度下进行水热反应12小时。

当负载镍泡沫时,得到类金属有机框架;

将上述得到的泡沫镍负载金属有机框架用去离子水洗涤三次并在60 ℃真空干燥。

在箱中干燥6h,得到干燥的泡沫镍支撑的类金属有机框架;

将上述得到的干燥的泡沫镍负载金属有机骨架材料切成20 mm × 20 mm × 1.5 mm

将块体放在瓷舟的左侧,右侧放上0.5g硫磺粉,将瓷舟放入管式炉内,从右侧通入氮气,反应20分钟。

此后起始温度为30℃,升温速率为3℃/min,当温度达到350℃时,在此温度下保温2小时。

进行高温硫化反应,得到镍钴基硫化物催化剂。

[0009] 本发明还提供了上述镍钴基硫化物催化剂在电解水析氧反应中的应用方法。

利用电化学工作站采用标准三电极系统测试水的电催化分解。

析氧能力具体测试方法如下:

使用 CHI 获得极化曲线 (LSV) 和循环伏安法 (CV)

760E电化学工作站1M

KOH溶液

说明书 3/3 页

试验在 中进行,以碳棒为对电极,Hg/HgO为参比电极。为了消除干扰,每次实验前都要通入电解液。

-1

通入氮气30分钟,除去电解液中的溶解氧,扫描速率设定为5mV

秒。

将过电位 (n) 与对数 (j) 作图以获得塔菲尔曲线,该曲线用于评估催化剂的电导率。

催化析氧动力学性能。

按照X射线衍射测试方法,图1分析可知,本发明得到的镍钴基硫化物催化剂包括

扫描电子显微镜图像(图2)显示,催化剂由大量棱柱体组成,能量色散X

三十四

EDX 光谱图像(图 3)显示 Ni、Co 和 S 分布均匀,透射电子显微镜(图 4)显示

有CoS(220)晶面,NiS(220)晶面和Co(002)晶面。

三十四

图5为实施例1中作为催化剂得到的产物

氢氧化钾

图中线性扫描伏安极化曲线

本发明得到的镍钴基硫化物催化剂具有良好的电催化活性,仅需109mV即可催化水的电解。

潜力可达10

mA/cm电流密度,图6为实施例所得产物的Tafel斜率图,该图表明本发明

得到的镍钴基硫化物催化剂具有较低的塔菲尔斜率,塔菲尔斜率仅为

38.81毫伏/减,

图7为本发明产品在恒定电流密度(10

mA/cm)连续测试40小时后性能仍能保持稳定。

当然。

附说明书1/6页

图1

附说明书第2/6页

图 2

附有说明书 3/6 页

图片 3

图 4

附说明书第4/6页

图 5

附说明书第5/6页

图 6

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附说明书第6/6页

图 7

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