本發(fā)明屬于雙金屬氫氧化物納米材料制備和利用技術(shù)，特別是一種鈷-鐵氫氧化物納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法。

背景技術(shù)：

雙金屬氫氧化物是一類重要的多功能材料，其在電解水氧析出的應(yīng)用方面受到廣泛的關(guān)注，其中Co、Fe雙金屬氫氧化物因為具有高效的電解水氧析出性能，且Co、Fe元素豐度較高、儲備豐富并且價格低廉而受到廣泛研究和應(yīng)用。納米化的Co_2.5Fe(OH)₁₀表現(xiàn)出更卓越的電解水氧析出性能，但是目前的合成方法，包括水熱法、電沉積法和犧牲模板法等方法因其需要較高的反應(yīng)溫度和制備成本而限制了商業(yè)化生產(chǎn)。因此，開發(fā)一種操作簡單、成本低廉、環(huán)境友好的合成納米級Co_2.5Fe(OH)₁₀材料的方法具有重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種工藝簡單、成本低廉、環(huán)境友好、不需要高溫反應(yīng)的鈷-鐵氫氧化物[Co_2.5Fe(OH)₁₀]納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種鈷-鐵氫氧化物納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法，所述鈷-鐵氫氧化物的分子式為Co_2.5Fe(OH)₁₀，步驟如下：

1)將Co(CH₃COO)₂·4H₂O溶解于無水乙醇中，Co(CH3COO)2·4H2O與無水乙醇的用量比為1g：100mL，加熱回流至85℃，保持2小時后自然冷卻至室溫，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并用乙醇清洗三次，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到粉色的鈷-乙酸基有機(jī)框架前驅(qū)體；

2)將上述鈷-乙酸基有機(jī)框架前驅(qū)體分散于無水乙醇中，得到前驅(qū)體分散液，鈷-乙酸基有機(jī)框架前驅(qū)體與無水乙醇的用量比為100mg：50mL；

3)將(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O溶于水中，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O與水的用量比為50mg：5mL，得到(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O水溶液；

4)磁力攪拌下向前驅(qū)體分散液中加入(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O水溶液，前驅(qū)體分散液與(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O水溶液的用量比為50mL：5mL，攪拌下反應(yīng)至少12h，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并依次用水和乙醇清洗，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到棕黃色Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料。

一種所制備的鈷-鐵氫氧化物納米片層組裝團(tuán)簇材料的應(yīng)用，用于制備電解水陽極電極，方法是：將制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合均勻，然后將得到的混合物分散在體積比為1:1的無水乙醇和水的混合溶液中，分散均勻后滴加在玻璃碳導(dǎo)電集流體上，干燥，制得電解水陽極電極；所述導(dǎo)電劑為乙炔黑、碳粉或碳納米管；粘結(jié)劑為Nafion-117溶液；混合物中導(dǎo)電劑的質(zhì)量百分比為20-50％、粘結(jié)劑的質(zhì)量百分比為5-10％、Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料為余量；Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料與無水乙醇和水的混合溶液的用量比為4mg：1mL。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

該鈷-鐵氫氧化物納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法工藝簡單，不需要長時間和高溫度等復(fù)雜的制備過程，簡化了制備流程，易于操作且極大的降低了能耗；產(chǎn)品的粒徑分布較窄且易于控制，納米化的Co_2.5Fe(OH)₁₀片狀團(tuán)簇表現(xiàn)出更低的電解水過電位和更好的電解水穩(wěn)定性；制備過程中不會造成環(huán)境污染，綠色環(huán)保，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料的透射電子顯微鏡(TEM)圖。

圖2為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料X射線光電子能譜(XPS)圖，a為材料的Co 2p軌道圖，b為材料的Fe 2p軌道圖，c為材料的O 1s軌道圖。

圖3為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料電解水性能圖，a為電解水電位-電流圖，b為電流-時間圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，本發(fā)明包括但不限于下面的實施例。

實施例1：

一種Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法，步驟如下：

1)將1g的Co(CH₃COO)₂·4H₂O溶解于100mL無水乙醇中，加熱回流至85℃，保持2小時后自然冷卻至室溫，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并用乙醇清洗三次，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到粉色的鈷-乙酸基有機(jī)框架前驅(qū)體；

2)將1)中制得鈷-乙酸基有機(jī)框架前驅(qū)體100mg分散于50mL無水乙醇中，得到前驅(qū)體分散液；

3)將50mg(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O溶于5mL水中，得到(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O水溶液；

4)磁力攪拌下向前驅(qū)體分散液中加入上述得到(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O水溶液，前驅(qū)體分散液與(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O水溶液的用量比為50mL：5mL，攪拌下反應(yīng)13h，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并依次用水和乙醇清洗，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到棕黃色Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料。

圖1為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料TEM圖，圖中顯示產(chǎn)物Co_2.5Fe(OH)₁₀的形貌為直徑約為100nm的球形團(tuán)簇，通過b圖放大顯示，球形團(tuán)簇由超薄的納米片層組裝而成。

圖2為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料XPS圖，其中：由圖2a和圖2b可見：Co2p和Fe2p軌道證明只有2價鈷和3價鐵存在，圖2C表明：O1s軌道證明只有氫氧根狀態(tài)氧存在，元素比例為2.5:1:10，表明產(chǎn)物為Co_2.5Fe(OH)₁₀。

所制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料在電解水氧析出中的應(yīng)用，用于制備電解水陽極電極，方法是：將制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合均勻得到混合物分散在1:1無水乙醇和水的混合溶液中，分散均勻后均勻滴加在玻璃碳等導(dǎo)電集流體上，干燥，制得電解水陽極電極。

圖3a為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料電極在電位-電流的曲線，圖中表明：電化學(xué)性能優(yōu)異，在相對于RHE電極1.5V時電流密度可達(dá)20mA cm^-2；圖3b為Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料電極的電流-時間圖，圖中表明：電化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，在放電10000s以上時電流仍無明顯衰減。

實施例2：

一種Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法，步驟1)與實施例1相同，得到前驅(qū)體；

步驟2)-4)反應(yīng)條件只發(fā)生放大實驗的改變，其他條件及相應(yīng)測試方法與實施例1相同，具體實施方案：

2)將1)中制得前驅(qū)體150mg分散于75ml無水乙醇中，得到前驅(qū)體分散液；

3)將75mg(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O溶于7.5ml水中，得到溶液；

4)磁力攪拌下向前驅(qū)體分散液中加入3)溶液中，攪拌下反應(yīng)13h，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并依次用水和乙醇清洗，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到棕黃色Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料。

制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料的TEM圖和XPS圖與實施例1類同。

所制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料在電解水氧析出中的應(yīng)用，用于制備電解水陽極電極，方法是：將制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合均勻得到混合物分散在1:1無水乙醇和水的混合溶液中，分散均勻后均勻滴加在玻璃碳等導(dǎo)電集流體上，干燥，制得電解水陽極電極。

制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料電極在電解水性能與實施例1類同。

實施例3：

一種Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法，步驟1)與實施例1 相同，得到前驅(qū)體；

步驟2)-4)反應(yīng)條件只發(fā)生放大實驗的改變，其他條件及相應(yīng)測試方法與實施例1相同，具體實施方案：

2)將1)中制得前驅(qū)體200mg分散于100ml無水乙醇中，得到前驅(qū)體分散液。

3)將100mg(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O溶于10mL水中，得到溶液；

4)磁力攪拌下向前驅(qū)體分散液中加入3)溶液中，攪拌下反應(yīng)13h，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并依次用水和乙醇清洗，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到棕黃色Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料。

制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料的TEM圖和XPS圖與實施例1類同。

所制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料在電解水氧析出中的應(yīng)用，用于制備電解水陽極電極，方法是：將制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合均勻得到混合物分散在1:1無水乙醇和水的混合溶液中，分散均勻后均勻滴加在玻璃碳等導(dǎo)電集流體上，干燥，制得電解水陽極電極。

制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料電極在電解水性能與實施例1類同。

實施例4：

一種Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料的制備方法，步驟1)與實施例1相同，得到前驅(qū)體；

步驟2)-4)反應(yīng)條件只發(fā)生放大實驗的改變，其他條件及相應(yīng)測試方法與實施例1相同，具體實施方案：

2)將1)中制得前驅(qū)體500mg分散于250ml無水乙醇中，得到前驅(qū)體分散液。

3)將250mg(NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O溶于25ml水中，得到溶液；

4)磁力攪拌下向前驅(qū)體分散液中加入3)溶液中，攪拌下反應(yīng)13h，把所得的產(chǎn)物進(jìn)行離心處理，并依次用水和乙醇清洗，然后將分離后的產(chǎn)物干燥，得到棕黃色Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料。

制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料的TEM圖和XPS圖與實施例1類同。

所制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米片層組裝團(tuán)簇材料在電解水氧析出中的應(yīng)用，用于制備電解水陽極電極，方法是：將制得的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑混合均勻得到混合物分散在1:1無水乙醇和水的混合溶液中，分散均勻后均勻滴加在玻璃碳等導(dǎo)電集流體上，干燥，制得電解水陽極電極。

制備的Co_2.5Fe(OH)₁₀納米材料電極在電解水性能與實施例1類同。