微波化學(xué)合成高活性催化劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于催化劑材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種高活性析氧反應(yīng)催化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]分解水大規(guī)模制氫是一項(xiàng)重要的、可持續(xù)、可循環(huán)的高效能源儲(chǔ)備措施。但是，水分解的效率常常受到堿性析氧半反應(yīng)的低動(dòng)力的限制，即堿性析氧反應(yīng)需要比析氫反應(yīng)更高的過電位才能獲得可觀的電流密度。尋找在低過電位下具有高電流密度析氧反應(yīng)電催化劑的研究發(fā)現(xiàn)，很多地球豐儲(chǔ)材料過渡族金屬氧化物和一些過渡族金屬氫氧化物，具有優(yōu)異析氧催化特性。過渡族金屬離子的價(jià)態(tài)和原子的協(xié)同作用被認(rèn)為是調(diào)整這些材料的催化特性的重要因素。然而，控制其結(jié)構(gòu)和金屬價(jià)態(tài)非常具有挑戰(zhàn)性，這就導(dǎo)致調(diào)整電催化劑性能變得困難。
[0003]最新研究報(bào)道，建議具有多種類型的催化活性位的復(fù)合過渡族金屬可改善其綜合催化性能。通常，提高反應(yīng)物進(jìn)入這些催化活性位的能力可以提高催化性能，并且已有證據(jù)證明原子位之間較大的空間可以有助于水分子擴(kuò)散進(jìn)入該材料，例如非晶3102的環(huán)直徑6埃，石墨稀層的孔5.5埃，碳納米管內(nèi)徑8.14埃。
[0004]因此，利用地球豐儲(chǔ)材料過渡族金屬開發(fā)一種具有大量催化活性位的、高活性催化劑，在低電位下獲得高的電流密度，可以利用電力有效地促進(jìn)水分子的分裂，降低催化劑成本的同時(shí)，大幅度提高催化活性，可用于高能效水分解設(shè)備，對我國的能源領(lǐng)域的高速發(fā)展具有十分重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種高活性析氧反應(yīng)催化劑及其制備方法，使催化劑在獲得高催化活性的同時(shí)，還具有較低的成本。
[0006]本發(fā)明的原理在于:采用Co (NO3) 2和Ni (NO 3) 2作為前驅(qū)體，溶解在三乙二醇中，在普通微波爐中進(jìn)行微波化學(xué)合成，獲得含有大量缺陷的三維層狀納米結(jié)構(gòu)催化劑。該催化劑與傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法制備的催化劑結(jié)構(gòu)不同，傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法制備的催化劑中缺陷很少；本發(fā)明方法制備的催化劑中，由于采用微波輻照化學(xué)合成，制備過程中微波輻照形成大量缺陷的氫氧化物的層狀結(jié)構(gòu)，有利于水分子的在層間擴(kuò)散或穿過層內(nèi)的空位到達(dá)更多的氧化還原活性金屬離子位，具有高的活性。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種高活性催化劑，由微波化學(xué)合成方法制成，該催化劑是由過渡族金屬鈷、鎳和氫、氧、碳、氮組成的氫氧化物配合物。
[0008]所述催化劑通過以下步驟制備:
采用Co (NO3) 2和Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液在微波爐中進(jìn)行液相化學(xué)合成反應(yīng)，清洗、離心分離、干燥。
[0009]所述催化劑粉末為含有大量缺陷的三維層狀納米結(jié)構(gòu)，其中層片的大小約200-500nm，在層片上的過渡族金屬的氫氧化物配合物納米顆粒的粒徑為5_8nm。在電流密度為1mA.cm 2時(shí)的過電位不大于0.33V。
[0010]一種所述的高活性催化劑的制備方法，包括如下步驟:
采用Co (NO3) 2和Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液在微波爐中進(jìn)行液相化學(xué)合成反應(yīng)，清洗、離心分離、干燥。
[0011]Co (NO3)2溶液和Ni (NO3)2的三乙二醇溶液的濃度均為l-2mol/l，兩種相同濃度溶液的體積比為1:1，在普通微波爐中進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)的時(shí)間為1-5 min，清洗液為無水乙醇，清洗、離心分離次數(shù)為3-4次，60°C空氣環(huán)境中干燥。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:
1、本發(fā)明利用地球豐儲(chǔ)材料過渡族金屬制備了一種具有大量催化活性位的、高活性催化劑。
[0013]2、本發(fā)明的高活性催化劑在低電位下獲得高的電流密度，可以利用電力有效地促進(jìn)水分子的分裂，降低催化劑成本的同時(shí)，大幅度提高催化活性，可用于高能效水分解設(shè)備。
[0014]
【附圖說明】
[0015]圖1為采用本發(fā)明實(shí)施例1制備的N1-Co氫氧化物配合物粉末的透射電子顯微鏡(TEM)照片，a為TEM形貌圖，b為高分辨TEM。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0017]本發(fā)明的高活性催化劑，由微波化學(xué)合成方法制備，該催化劑是由過渡族金屬鈷、鎳和氫、氧、碳、氮組成的氫氧化物配合物；其中，所述催化劑粉末為含有大量缺陷的三維層狀納米結(jié)構(gòu)，其中層片的大小約200-500nm，在層片上的過渡族金屬的氫氧化物配合物納米顆粒的粒徑為5-8nm。在電流密度為1mA.cm 2時(shí)的過電位不大于0.33V。
[0018]該催化劑的具體制備方法如下:
采用Co (NO3) 2和Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液在微波爐中進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)，清洗、離心分離、干燥。
[0019]電化學(xué)測試方法:將催化劑顆粒80mg、Naf1n-117溶液80 μ 1、Iml異丙醇和4ml超純水混合超聲1min制成懸浮液，取10 μ I懸浮液滴在玻碳盤電極上，在烘箱中60°C干燥lOmin。所有的電化學(xué)測試都是采用B1-LogicVMP3多通道恒電位/電流儀，在一個(gè)電化學(xué)槽中進(jìn)行的三電極測試，參比電極是SCE電極，輔助電極是碳棒，玻碳盤電極為工作電極。催化劑的析氧反應(yīng)通過旋轉(zhuǎn)盤電極伏安法進(jìn)行測試，溶液為經(jīng)過氧氣吹掃至少20min的1.0M NaOH水溶液，掃描速度0.0lV s_l、盤電極的轉(zhuǎn)速1600rpm。
[0020]實(shí)施例1:
米用本發(fā)明的制備方法制備催化劑，首先，米用濃度2 mol/1 Co (NO3) 2的二乙二醇溶液2ml和2mol/l的Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液2ml，混合均勻，放入微波爐中，在功率100W(2.45GHz)下，進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)2min，然后采用無水乙醇清洗離心分離4次，在60°C烘箱干燥。在上述制備工藝條件下，所制備的高活性催化劑進(jìn)行伏安法電化學(xué)測試，獲得1mA.cm 2電流密度的過電位是0.329V。
[0021]實(shí)施例2:
米用本發(fā)明的制備方法制備催化劑，首先，米用濃度I mol/1 Co (NO3) 2的二乙二醇溶液Iml和2mol/l的Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液2ml，混合均勻，放入微波爐中，在功率1000W(2.45GHz)下，進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)lmin，然后采用無水乙醇清洗離心分離3次，在60°C烘箱干燥。在上述制備工藝條件下，所制備的高活性催化劑進(jìn)行伏安法電化學(xué)測試，獲得1mA.cm 2電流密度的過電位是0.326V。
[0022]
實(shí)施例3:
米用本發(fā)明的制備方法制備催化劑，首先，米用濃度2 mol/1 Co (NO3) 2的二乙二醇溶液2ml和2mol/l的Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液2ml，混合均勻，放入微波爐中，在功率1000W(2.45GHz)下，進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)5min，然后采用無水乙醇清洗離心分離4次，在60°C烘箱干燥。在上述制備工藝條件下，所制備的高活性催化劑進(jìn)行伏安法電化學(xué)測試，獲得1mA.cm 2電流密度的過電位是0.328V。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高活性催化劑，由微波化學(xué)合成方法制成，其特征在于: 該催化劑是由過渡族金屬鈷、鎳和氫、氧、碳、氮組成的氫氧化物配合物； 所述催化劑通過以下步驟制備: 采用Co (N03) 2和Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液在微波爐中進(jìn)行液相化學(xué)合成反應(yīng)，清洗、離心分離、干燥。2.如權(quán)利要求1所述的高活性催化劑，其特征在于: 所述催化劑粉末為含有大量缺陷的三維層狀納米結(jié)構(gòu)，其中層片的大小約200-500nm，在層片上的過渡族金屬的氫氧化物配合物納米顆粒的粒徑為5-8nm。3.如權(quán)利要求1所述的高活性催化劑，其特征在于: 在電流密度為lOMa.cm 2時(shí)的過電位不大于0.33V。4.一種如權(quán)利要求1-3之一所述的高活性催化劑的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 采用Co (N03) 2和Ni (NO3) 2的三乙二醇溶液在微波爐中進(jìn)行液相化學(xué)合成反應(yīng)，清洗、離心分離、干燥。5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于: Co (N03) 2和Ni (NO 3) 2的三乙二醇溶液的濃度均為l-2mol/l，兩種相同濃度溶液的體積比為1:1，進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)的時(shí)間為l_5min，清洗液為無水乙醇，清洗、離心分離次數(shù)為3-4次，60 °C空氣環(huán)境中干燥。6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于: 微波化學(xué)合成過程在普通微波爐中進(jìn)行。
【專利摘要】本發(fā)明屬于催化劑材料的制備領(lǐng)域，特別涉及一種高活性析氧反應(yīng)催化劑及其制備方法，其中該催化劑的粉末是由過渡族金屬的氫氧化物配合物構(gòu)成的三維層狀納米結(jié)構(gòu)組成，該催化劑通過以下步驟制備：采用Co(NO3)2和Ni(NO3)2的三乙二醇溶液在微波爐中進(jìn)行微波化學(xué)合成反應(yīng)，然后清洗、過濾、干燥。本發(fā)明的高活性催化劑在電流密度為10mA·cm-2時(shí)的過電位不大于0.33V。該催化劑大幅度降低了水分解反應(yīng)的過電位，可用于高能效水分解裝置。
【IPC分類】C25B11/06
【公開號(hào)】CN105239092
【申請?zhí)枴緾N201510669841
【發(fā)明人】鄭立允, 趙立新, 梁順星, 劉曉燕
【申請人】河北工程大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年10月13日