铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极的制备方法

摘要

本发明公开了铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极的制备方法，具体包括如下步骤：S1泡沫镍预处理：将泡沫镍去除表面污垢烘干备用；S2配制铁离子源和钨源混合液体：S3将步骤S2中的混合液体倒入聚四氟乙烯内衬中，再将步骤S1中得到的泡沫镍投入到聚四氟乙烯内衬中，高压水热促进铁离子掺杂的氧化钨水合物生长；S4将步骤S3中的泡沫镍取出，充分清洗后烘干，得到铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极。该电极表面形成尖端放电效应，有望替代贵金属电极，大大的降低电催化制氢成本。

权利要求

1.铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：S1泡沫镍预处理：将泡沫镍用1mol/L的盐酸溶液超声震荡至少20分钟，去除表面污垢，再使用超纯水充分清洗去除剩余的盐酸溶液，再将泡沫镍取出在不低于80℃真空干燥箱中烘干备用；

S2配制铁离子源和钨源混合液体：六次甲基四胺、五水钨酸铵、六水氯化铁粉末按照

10：9:1的物质的量份数比充分混合，再加入物质的量份数为830份的超纯水充分搅拌获得混合液待用；

S3将步骤S2中的混合液体倒入聚四氟乙烯内衬中，再将步骤S1中得到的泡沫镍投入到聚四氟乙烯内衬中，将聚四氟乙烯内衬密封之后放入高压水热釜，在至少105℃下加热反应至少12小时；

S4将步骤S3中的泡沫镍取出，使用无水乙醇和去离子水充分清洗后，在不低于50℃的真空干燥箱中烘干，得到铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极。

说明书

铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于无机电极材料领域，具体涉及一种铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极及其制备方法。

背景技术

[0002] 氢能是一种理想的、清洁高效的二次能源，它将成为可再生能源的最佳载体而有望替代化石能源。氢气的制备方法中，碱性电解水制氢是当前最常用的一种制氢方法，其理论工作电压1.23伏；但由于析氢过电位的存在，导致电解时的槽电压增大，其工作电压通常在1.8伏到2.0伏之间，能耗增加。

[0003] 为了大幅度降低工作电压，减少因过电势产生的能量损失，有效降低能耗，提高制氢效率，采用其他可替代电解水制氢的方案势在必行，例如利用更容易电解的物质甲醇、乙醇、甘油、尿素和水合肼等代替水电解制氢。

[0004] 另外，在现有制氢的电解过程中，常常使用贵金属(例如铂、钯等)作为析氢电极材料，贵金属在析氢反应中虽然具有良好的催化效果，但是其材料本身成本高，致使制氢成本同样高，不利于工业推广。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极及其制备方法，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。

[0006] 为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：

[0007] 铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极，包括采用六水氯化铁粉末作为铁离子掺杂源，采用五水钨酸铵为氧化钨水合物来源；通过高压水热釜在泡沫镍表面形成铁离子掺杂的四棱锥状氧化钨水合物覆盖层。

[0008] 一种铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极的制备方法，具体包括如下步骤：

[0009] S1泡沫镍预处理：将泡沫镍用1mol/L的盐酸溶液中超声震荡至少20分钟，去除表面污垢，再使用超纯水充分清洗去除剩余的盐酸溶液，再将泡沫镍取出在不低于80℃真空干燥箱中烘干备用；

[0010] S2铁离子源和钨源混合液体：六次甲基四胺、五水钨酸铵、六水氯化铁粉末按照10：9:1的摩尔质量份数比充分混合，再加入摩尔质量份数为830份的超纯水充分搅拌获得混合液待用；

[0011] S3将步骤S2中的混合液体倒入聚四氟乙烯内衬中，再将步骤S1中得到的泡沫镍投入到聚四氟乙烯内衬中，将聚四氟乙烯内衬密封之后放入高压水热釜，在至少105℃下加热反应至少12小时；

[0012] S4将步骤S3中的泡沫镍取出，使用无水乙醇和去离子水充分清洗后，在不低于50℃的真空干燥箱中烘干，得到铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极。

[0013] 本发明的技术效果是：

[0014] 本发明中的泡沫镍表面生长了大量铁离子掺杂的四棱锥形氧化钨水合物，具有优异的电解水合肼制氢性能；氧化钨水合物的底座紧贴泡沫镍，尖端朝外，形成尖端放电效应；该电极制造成本低、有望替代贵金属电极，大大的降低制氢成本。

附图说明

[0015] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0016] 在附图中：

[0017] 图1：泡沫镍上生长铁离子掺杂氧化钨水合物前后的扫描电子显微镜图；

[0018] 图2：铁离子掺杂氧化钨水合物的X射线衍射谱；

[0019] 图3：铁离子掺杂氧化钨水合物的拉曼谱；

[0020] 图4：铂片电极、泡沫镍电极和铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖泡沫镍电极的线性扫描伏安曲线。

具体实施方式

[0021] 下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。

[0022] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

[0023] 一种用于电催化分解水合肼制氢的铁离子掺杂氧化钨水合物电极的制备方法，主要是在泡沫镍表面生长氧化钨水合物，铁离子掺杂后，氧化钨水合物形成四棱锥形，在碱性电解液下具有优异的电解水合肼制氢性能。

[0024] 具体步骤如下：

[0025] S1泡沫镍预处理：将泡沫镍用1mol/L的盐酸溶液中超声震荡20分钟，去除表面污垢，再使用超纯水充分清洗去除剩余的盐酸溶液，再将泡沫镍取出在80℃真空干燥箱中烘干备用；在这里泡沫镍的尺寸定为：0.5cm*2cm*4cm长条形块。

[0026] S2铁离子(Fe3+)源和钨源混合液体：六次甲基四胺、五水钨酸铵、六水氯化铁粉末按照10：9:1的物质的量份数比充分混合，再加入物质的量份数为830份的超纯水充分搅拌获得混合液待用；

[0027] 具体的是：

[0028] 2mmol六次甲基四胺粉末、1.8mmol五水钨酸铵粉末、0.2mmol六水氯化铁粉末，30ml超纯水；充分搅拌使上述粉末尽量分散而得到混合溶液；

[0029] S3将步骤S2中的混合液体倒入聚四氟乙烯内衬(50ml容积的内衬)中，再将步骤S1中得到的泡沫镍投入到聚四氟乙烯内衬中，将聚四氟乙烯内衬密封之后放入高压水热釜，在105℃下加热反应12小时；

[0030] S4将步骤S3中的泡沫镍取出，使用无水乙醇和去离子水充分清洗后，在50℃的真空干燥箱中烘干，得到铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍催化电极。

[0031] 按上述方法制得的铁离子掺杂氧化钨水合物，如图1a-1d扫描电子显微镜观察分析表明，银白色的泡沫镍表面光滑，表面生长铁离子掺杂氧化钨水合物后颜色变成黄绿色，表面粗糙度明显提高，氧化钨水合物的底座紧贴泡沫镍，尖端朝外，在泡沫镍表面生长了大量铁离子掺杂的四棱锥形氧化钨水合物。氧化钨水合物在泡沫镍表面形成尖端放电效应，该电极可以替代贵金属电极用于电解水合肼制备氢气。

[0032] 如图2的X射线衍射谱显示铁离子掺杂氧化钨水合物与标准卡片JCPDS48-719相对应，分子式是H2W1.5O5.5H2O。

[0033] 如图3是铁离子掺杂氧化钨水合物的拉曼谱，79.0cm-1、105.7cm-1和198.7cm-1归属-1 -1 -1于(W2O2)n链的振动模式，241.7cm 、364.5cm 和487.3cm 是W-O-W弯曲振动模式，716.6cm-1是W-O-W伸缩振动模式，872.7cm-1、892.4cm-1和955.5cm-1是W＝O的振动模式，(W2O2)n链震动和W＝O震动模式强度最高，说明铁离子掺杂氧化钨水合物中大量的五价钨离子的存在。

[0034] 本电极使用在电解水合肼制氢中；以下是使用本电极在碱性电解液下电解水合肼的具体实施例：

[0035] 以1mol/L氢氧化钾作为电解液，加入0.5mol/L水合肼，电压在0至-0.26(相对标准氢电极)伏时，铂片电极的的电流密度大于铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍电极，电压低于-0.26伏之后铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍电极的电流密度开始大于铂片电极。在-0.3伏电压下，泡沫镍、铂片和铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍电极电流密度分别是50mA/cm2、280mA/cm2和400mA/cm2。由此可见铁离子掺杂氧化钨水合物覆盖的泡沫镍电极具有优异的电解水合肼制氢性能。

[0036] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。