氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料及應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電解水制氫材料技術領域，特別涉及一種氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料及其應用。
【背景技術】
[0002]隨著太陽能、風能等綠色二次能源的快速發(fā)展，利用太陽能、風能等非并網(wǎng)綠色電能進行水解制氫成為一種極具前景的綜合利用綠色能源的手段。然而電解水陽極反應需要復雜的4H+/4e-過程，陽極析氧材料的電催化活性對于提高電解效率，降低電解水能耗，降低成本等方面起著至關重要的作用。實踐證明，具有實用價值的陽極析氧催化材料必須具有廉價易得、高比表面積、導電率高、過電位低、高催化活性及穩(wěn)定性等特點。因此，為了進一步提高電解水的制氫效率，降低電解水制氫的能耗及成本，開發(fā)高催化活性的陽極析氧催化材料是關鍵。
[0003]在已有研究的陽極析氧催化材料中，過渡金屬/碳材料組成的納米復合材料由于其來源豐富，種類多樣，組分、結構、形貌等可調(diào)控，擁有優(yōu)異的物理、化學性能，作為高效水解制氫用析氧催化劑受到國內(nèi)外科研人員的廣泛關注和研究。目前制備過渡金屬/碳納米復合材料的方法主要有:(1)電弧放電法，Jiang等人采用電弧放電法制備了NiC0ai6Fea34-CNTs納米復合材料，該方法對儀器要求比較苛刻，制備過程中使用H2，操作比較危險；(2)化學氣相沉積法，馬磊等采用流化床氣相沉積法在Ti02/Fe-Ni原位沉積CNTs得到了 CNTs/Ti02/Fe-Ni復合光催化劑，該方法對設備要求嚴格，生產(chǎn)成本較高，難以制備N摻雜的過渡金屬/碳復合材料；(3)浸漬-還原法，Qiao等人采用浸漬-還原法兩步制備了N1-NG (N摻雜石墨稀)復合納米材料，該方法制備過程比較繁瑣，需要將石墨氧化制備氧化石墨，然后肼還原制備NG，再浸漬Ni'最后還原得到N1-NG，并且該法制備的N1-NG中Ni不能均勻的分散在NG上；(4)高溫固相分解法，該方法操作簡單易行，安全性能好，是目前制備過渡金屬/碳納米復合材料采用較多的方法。Liu等人將1，10-鄰菲羅啉鐵與ZIFs系列金屬有機骨架材料混合，采用一步高溫固相分解法制備了 Fe-NC納米復合材料，但是ZIFs系列金屬有機骨架材料配體價格昂貴，合成工藝復雜。
[0004]而采用廉價易得的鎳鹽、鐵鹽及碳源、氮源原位固相法一步合成制備氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料的發(fā)明方法還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料的制備及其應用。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
一種氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料，由氮摻雜碳納米管包覆過渡金屬N1、Fe構成，其表達式為Nia9Fea1CNx，其中CN為氮摻雜碳，0.01 ^ x ^ 0.1，MN1、Fe、C、N 的摩爾比為 0.9:0.1:1:0.01-0.10
[0007]所述氮摻雜碳納米管直徑在40~50nm之間，長度在300~400nm之間。
[0008]上述氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料，采用原位固相法一步合成制備，具體步驟為:將醋酸鎳和氯化鐵與檸檬酸、硫脲按照摩爾比9:1:50:10-100混合并研磨均勻，然后將混合物在10~100mL/min的隊氣流速下，在600~900°C經(jīng)過l~10h煅燒得到。
[0009]進一步地，上述的氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料制備的析氧陽極在用于電解水方面的應用。
[0010]在電解水析氧催化材料的制備方法中，本發(fā)明特別限定了 Ni和Fe的摩爾比為0.9: 0.1，C和N的摩爾比為1:0.01~0.1，摩爾比的限定非常關鍵，尤其是N1、Fe和C摩爾比固定后，才能夠原位制備出氮摻雜碳納米管包覆過渡金屬N1、Fe的析氧催化材料。
[0011]本發(fā)明有效實現(xiàn)了設定N1、Fe、C、N配比的Nia9Fea1CNx析氧催化材料的原位固相法一步制備，產(chǎn)物呈納米管狀，多孔且比表面積大，作為電解水析氧電極材料具有優(yōu)良的性能。
[0012]本發(fā)明方法步驟簡單，操作方便，工藝參數(shù)易控制，原料廉價易得，適宜規(guī)模化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0013]圖1表示實施例1所述Nia9Fea1CNat^H氧催化材料的X射線衍射圖譜。
[0014]圖2表示實施例1所述Nia9Fea1CNaw析氧催化材料的掃描電鏡圖片。
[0015]圖3表示實施例1所述Nia9Fea氧催化材料的元素能譜圖。
[0016]圖4表示實施例1所述Nia9Fea1CU/?氧催化材料的N2吸附曲線。
[0017]圖5表示實施例1所述Nia9Fea1CNaff^H氧催化材料的析氧反應極化曲線。
[0018]圖6表示實施例1所述Nia9Fea1CNaff7析氧催化材料的析氧反應塔菲爾曲線。
[0019]圖7表示實施例1所述Nia9Fea氧催化材料在100mA/cm2下的計時電位曲線。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。
[0021]實施例1
一種氮摻雜碳納米管包覆鎳鐵的電解水析氧催化材料，其表達式為Nia9Fea ^CN0.0,,采用原位固相法一步合成制備，具體步驟為:取1.59Ig醋酸鎳，0.27g六水氯化鐵，9.6Ig梓檬酸和5.328g硫脲(摩爾比為9:1:50:70)在研缽中研磨混合均勾，放入瓷舟，在100mL/min流速的N2保護下，在700°C煅燒5h，自然冷卻即得所需產(chǎn)品，然后將所得產(chǎn)品作為陽極析氧催化材料用于電解水。
[0022]圖1是所述Nia9Fe0.^CN0.。7材料的X射線衍射圖譜。分析結果表明:圖譜中44.3° ,51.5°和76.1°對應的衍射峰歸屬為Nia9Feai的衍射峰，而26.5°對應的衍射峰歸屬為C的衍射峰。
[0023]圖2是所述Nia9Fea1CNaJ^料的掃描電鏡圖片。從圖2可以看出制得的材料由直徑在40~50nm之間，長度在300~400nm之間的納米管組成。
[0024]圖3是所述Nia9Fea1CNaJ^if的元素能譜分析圖。從圖3可以看出所制得的材料由N1、Fe、C、N四種元素構成，且其中Ni和Fe元素的摩爾比為8.9:1，C和N元素的摩爾比為1:0.07，復合納米材料中N元素的質(zhì)量分數(shù)為5.575wt.%。
[0025]圖4是所述Nia9Fea1CNaJ^料的N2吸附曲線。從圖4可以看出，所制得的納米復合材料的比表面積達到320.5m2/g，較大的比表面積有利于析氧催化反應。
[0026]圖5是所述Nia9Fea1CNaJ^料的析氧反應極化曲線。由圖4可以看出所制得的材料的析氧反應起始電位為1.45V vs RHE，在較低過電位時即可發(fā)生析氧反應，在1mA/cm2電流密度下的析氧過電位為265mV，表明所制得的納米復合材料具有較優(yōu)異的析氧催