本發(fā)明涉及電化學，具體涉及一種低成本堿性介質析氧催化劑及其制備方法和應用。

背景技術：

1、氫氣因其燃燒熱值大，可通過多種途徑合成。目前制氫工藝主要是采用甲烷裂解制備氫氣或電解水制氫。其中，甲烷裂解制備氫氣時，一方面，該種方法原料為化石燃料，屬于不可再生的合成方式；另一方面，該種方法制備氫氣會產生大量的二氧化碳，不符合清潔，無污染的理念。而電解水制氫是一種高效且綠色無污染的制氫方法，其具有氫氣純度高(氫氣純度＞99％)，可大規(guī)模工業(yè)化制備氫氣，工藝相對簡單等優(yōu)點。在電解水制氫過程中，包括兩個半反應：析氧反應(oer)和析氫反應(her)，其中，相比于析氫反應的簡單兩電子反應，析氧反應為四電子復雜反應，其能壘相對更高，oer催化劑活性高低則決定電解水的效率以及功率。貴金屬催化劑因其催化活性高，并且性質穩(wěn)定，常用作oer催化劑，但因其儲量稀少，價格昂貴，限制了其作為大規(guī)模電解槽催化劑的應用。

2、過渡族金屬(ni，fe，mn，co等)因其獨特的價帶結構，其作為oer催化劑有著良好的催化活性，并且其儲量相對較高，成本較低，且穩(wěn)定性較好，有望成為未來大規(guī)模電解水制氫的oer催化劑。目前，基于泡沫鎳的自支撐電極具有重量輕，機械強度高，化學穩(wěn)定性好，孔隙率高，比表面積大并且有著良好的導電性引起人們的極大關注。但是現(xiàn)有的自支撐電極合成制備工藝多采用水熱法，高溫煅燒等方法，合成條件較為嚴苛，難以作為一種高效，大批量工業(yè)化生產的方法。

3、因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種成本低廉、催化活性高、能實現(xiàn)大規(guī)模生產的非貴金屬催化劑替代現(xiàn)有的貴金屬催化劑。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是開發(fā)一種成本低廉、催化活性高、能實現(xiàn)大規(guī)模生產的非貴金屬催化劑替代現(xiàn)有的貴金屬催化劑。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，包括如下步驟：

3、步驟1、混合鐵金屬源和鈷金屬源，并配置成一定濃度的鹽溶液a；

4、步驟2、將泡沫鎳或鎳金屬源通過濃鹽酸、去離子水洗滌并干燥后，放置于鹽溶液a中，超聲后靜置一定時間；

5、步驟3、將堿溶液源配制成一定濃度的堿溶液b；將堿溶液b緩慢滴加到鹽溶液a中，使其金屬離子沉淀；

6、步驟4、取出溶液中的泡沫鎳或鎳金屬源，用去離子水、無水乙醇洗滌并干燥后，制備得到析氧催化劑。

7、在本發(fā)明的較佳實施方式中，步驟1中，所述鐵金屬源選自無水醋酸鐵、醋酸鐵水合物、無水氯化鐵、氯化鐵水合物、無水硝酸鐵、硝酸鐵水合物、無水硫酸鐵、硫酸鐵水合物中的一種或多種；所述鈷金屬源選自無水醋酸鈷、醋酸鈷水合物、無水氯化鈷、氯化鈷水合物、無水硝酸鈷、硝酸鈷水合物、無水硫酸鈷、硫酸鈷水合物中的一種或多種。

8、在本發(fā)明的較佳實施方式中，步驟2中，所述鎳金屬源選自硝酸鎳，硝酸鎳水合物，氯化鎳，氯化鎳水合物，醋酸鎳，醋酸鎳水合物中的一種或多種。

9、在本發(fā)明的較佳實施方式中，所述堿溶液源選自氫氧化鉀，氫氧化鈉，氨水碳酸鉀，碳酸鈉，碳酸銨中的一種或多種。

10、在本發(fā)明的較佳實施方式中步驟1中，所述鹽溶液a中，鐵元素摩爾濃度為鈷元素的2倍。

11、進一步的，步驟1中，所述鹽溶液a中，鐵元素摩爾濃度為0.1mol/l，鈷元素摩爾濃度為0.05mol/l；步驟2中，堿溶液b中，oh-濃度范圍0.5mol/l。

12、在本發(fā)明的較佳實施方式中，步驟2中，超聲時間為10min，超聲溫度為25～100℃，靜置時間為8h。

13、在本發(fā)明的較佳實施方式中，步驟2和步驟4中，干燥采用真空干燥方式，且真空干燥溫度為60～80℃，干燥時間為12-24h。

14、本發(fā)明還公開了一種由上述制備方法制備得到的析氧催化劑。

15、本發(fā)明還公開了一種如上所述的析氧催化劑在制備自支撐oer電極催化析氧中的應用。

16、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

17、1、本發(fā)明提供的一種低成本堿性介質析氧催化劑，可用作水分解過程中的oer催化劑，能夠實現(xiàn)高法拉第效率的電催化反應，其xrd能譜表示表面沉積粉末為fe3o4以及cofe2o4，其尺度為納米顆粒，尺度均勻，分散性好，鐵，鈷元素有助于增強泡沫鎳本身的催化活性；

18、2、本發(fā)明的催化劑制備過程簡單，條件溫和，具有較強的可重復性，并且在堿性條件下具有良好的催化性能，有望在陰離子交換膜電解水制氫領域中廣泛應用；

19、3、本發(fā)明的析氧催化劑原材料中，鐵(fe)，鎳(ni)，鈷(co)混合氧化物是其中最有效的混合過渡金屬氧化物之一，其中，鐵元素具有低成本，高儲量，并且fe與ni元素的結合可以優(yōu)化ni元素的電子結構，從而顯著提高其電化學活性，相比于其他催化劑，氧化物具有較強的穩(wěn)定性能夠提升其在堿性條件下的耐受性。將其應用于自支撐oer電極，能適用于堿性環(huán)境下的電解水，具有較好的催化活性，因為鐵增強了泡沫鎳的催化活性，并且它還具有較高的電導率以及較低塔菲爾斜率，有著低成本優(yōu)勢，具有一定的市場競爭力；

20、4、本發(fā)明研究堿性介質析氧催化劑(oer)，同時還具有以下幾個方面的顯著技術進步：

21、(1)高活性與低過電位：自支撐oer電極在oer反應中表現(xiàn)出較高的活性，表現(xiàn)為較低的過電位(如在1m?koh中達到100ma/cm2電流密度的過電位為227mv)，這是衡量催化劑效率的關鍵參數之一，較低的過電位意味著在實際應用中，如電解制水過程中，所需的額外能量更少；

22、(2)穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是堿性條件下oer催化劑的一個關鍵指標。自支撐oer電極的泡沫鎳基底提供了良好的化學穩(wěn)定性和耐久性，使其適用于長時間，高電位的電解過程；

23、(3)低成本：傳統(tǒng)的oer催化劑，尤其是基于貴金屬如鉑、銥的催化劑，雖然具有高性能，但成本較高，自支撐oer電極合成采用了相對低成本的原料，并通過簡單沉積法制備，從而降低了整體成本；

24、(4)易于規(guī)?；a：合成過程涉及常見的化學品和標準的化學處理步驟，并且合成步驟簡單，便于催化劑的規(guī)?；a；

25、(5)環(huán)境友好：在合成過程中，使用的無機金屬鹽以及堿溶液，與許多有機溶劑相比，具有較低的環(huán)境影響。

26、以下將結合附圖對本發(fā)明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

技術特征：

1.一種低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述鐵金屬源選自無水醋酸鐵、醋酸鐵水合物、無水氯化鐵、氯化鐵水合物、無水硝酸鐵、硝酸鐵水合物、無水硫酸鐵、硫酸鐵水合物中的一種或多種；所述鈷金屬源選自無水醋酸鈷、醋酸鈷水合物、無水氯化鈷、氯化鈷水合物、無水硝酸鈷、硝酸鈷水合物、無水硫酸鈷、硫酸鈷水合物中的一種或多種。

3.根據權利要求1所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，步驟2中，所述鎳金屬源選自硝酸鎳，硝酸鎳水合物，氯化鎳，氯化鎳水合物，醋酸鎳，醋酸鎳水合物中的一種或多種。

4.根據權利要求1所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，所述堿溶液源選自氫氧化鉀，氫氧化鈉，氨水碳酸鉀，碳酸鈉，碳酸銨中的一種或多種。

5.根據權利要求1所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述鹽溶液a中，鐵元素摩爾濃度為鈷元素的2倍。

6.根據權利要求5所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，步驟1中，所述鹽溶液a中，鐵元素摩爾濃度為0.1mol/l，鈷元素摩爾濃度為0.05mol/l；步驟2中，堿溶液b中，oh-濃度范圍0.5mol/l。

7.根據權利要求1所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，步驟2中，超聲時間為10min，超聲溫度為25～100℃，靜置時間為8h。

8.根據權利要求1所述的低成本堿性介質析氧催化劑的制備方法，其特征在于，步驟2和步驟4中，干燥采用真空干燥方式，且真空干燥溫度為60～80℃，干燥時間為12-24h。

9.由權利要求1-8任一項所述制備方法制備得到的析氧催化劑。

10.如權利要求9所述的析氧催化劑在制備自支撐oer電極催化析氧中的應用。

技術總結
本發(fā)明公開了一種低成本堿性介質析氧催化劑及其制備方法和應用，涉及電化學技術領域。所述制備方法包括如下步驟：步驟1、混合鐵金屬源和鈷金屬源，并配置成一定濃度的鹽溶液A；步驟2、將泡沫鎳或鎳金屬源通過濃鹽酸、去離子水洗滌并干燥后，放置于鹽溶液A中，超聲后靜置一定時間；步驟3、將堿溶液源配制成一定濃度的堿溶液B；將堿溶液B緩慢滴加到鹽溶液A中，使其金屬離子沉淀；步驟4、取出溶液中的泡沫鎳或鎳金屬源，用去離子水、無水乙醇洗滌并干燥后，制備得到析氧催化劑。本發(fā)明的析氧催化劑可以用于制備自支撐OER電極催化析氧中，具有成本低廉、催化活性高、能實現(xiàn)大規(guī)模生產、具有較低的環(huán)境影響等優(yōu)點。

技術研發(fā)人員：楊瑞,鄒建新,趙穎燕,孫一焱
受保護的技術使用者：上海交通大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17