本發(fā)明屬于固溶體納米材料制備，具體涉及一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料及其制備方法和在工業(yè)級(jí)電流密度下堿性電催化析氫和析氧中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)今，電催化水分解技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)、清潔、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種高效、可行、前景廣闊的綠色制氫方法?？梢灶A(yù)見該技術(shù)可顯著解決人類面臨的環(huán)境污染和能源危機(jī)等問題。然而，低效率、高過電位和過度使用貴金屬導(dǎo)致制氫成本昂貴。另一方面，目前開發(fā)的一些高效析氫(her)和析氧(oer)電催化劑主要應(yīng)用在低電流密度(＜100ma/cm2)下，而無法使用在非工業(yè)制氫所需的高電流密度(≥1000ma/cm2)條件下。此外，在高電流密度下較差的穩(wěn)定性也成為阻礙其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，理想的堿性水電解槽不僅需要優(yōu)異的her和oer活性，而且需要在大電流密度下運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。

2、一般來說，要提高電催化劑的her和oer性能，創(chuàng)造更多暴露的活性位點(diǎn)以及提高電子傳輸和傳質(zhì)過程是重要條件。納米纖維因其具有這方面的優(yōu)勢(shì)而成為her和oer電催化劑的理想候選材料。另一方面，調(diào)制電催化劑的電子結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是提高其電催化活性的有效方法。最近，金屬氧化物固溶體已被證明是高效的oer電催化劑。例如，在金紅石結(jié)構(gòu)的釕錳氧化物固溶體中，從釕到錳位點(diǎn)的強(qiáng)電子傳遞導(dǎo)致釕位點(diǎn)的原子電荷更多呈正值，從而有助于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的酸性oer性能(j.mater.chem.a,2023,11,25252)。然而，目前關(guān)于固溶體納米纖維基電催化劑在大電流密度下實(shí)現(xiàn)堿性雙功能her和oer中的應(yīng)用報(bào)道還沒有。為此，本發(fā)明結(jié)合納米纖維和固溶體結(jié)構(gòu)二者的優(yōu)勢(shì)制備了具有高活性高穩(wěn)定性的可應(yīng)用于工業(yè)級(jí)電流密度下電解水的堿性her和oer雙功能電催化劑，為電解水的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種高效且高穩(wěn)定性的釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料及其制備方法和在工業(yè)級(jí)電流密度下堿性電催化her和oer中的應(yīng)用。本發(fā)明采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合空氣氛圍煅燒制備了釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料，其整體表現(xiàn)為表面粗糙且均勻的纖維形態(tài)，具備較多的暴露活性位點(diǎn)以及優(yōu)異的電子傳輸性能。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明在第一方面提供了一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料的制備方法，其步驟如下：

4、a、靜電紡絲法制備納米纖維膜：

5、a1、將0.2～0.4g聚乙烯吡咯烷酮、一定質(zhì)量的鈷鹽與釕鹽溶于2～5ml?n,n-二甲基甲酰胺與乙醇的混合溶液中，n,n-二甲基甲酰胺或乙醇的用量可以為0，攪拌12小時(shí)后得到均勻的稠狀紡絲液前驅(qū)體；

6、a2、在靜電紡絲裝置的注射器中注入步驟a1中的稠狀紡絲液前驅(qū)體，在紡絲距離15～30cm、紡絲電壓12～25kv的條件下進(jìn)行靜電紡絲，在鋁箔接收板上得到納米纖維膜；

7、步驟b、將步驟a2得到的納米纖維膜在空氣、200～500℃條件下煅燒2～4h，得到釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料。

8、進(jìn)一步地，步驟a1中鈷鹽和釕鹽的總質(zhì)量與聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為1:1；

9、進(jìn)一步地，步驟a1中鈷鹽與釕鹽的摩爾比為1：(1～3)；

10、進(jìn)一步地，步驟a1中鈷鹽為乙酸鈷、硝酸鈷或氯化鈷中的一種；釕鹽為氯釕酸鉀、氯化釕或氯釕酸銨中的一種；

11、進(jìn)一步地，步驟a1中聚乙烯吡咯烷酮的分子量為1000～1500kda。

12、本發(fā)明在第二方面提供了一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料，是由上述任一項(xiàng)技術(shù)方案所制備得到的；

13、進(jìn)一步地，所述釕鈷固溶體氧化物納米纖維為直徑100～400nm，長(zhǎng)度大于5μm的一維材料；

14、本發(fā)明在第三方面提供了一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料在工業(yè)級(jí)電流密度下堿性電催化析氫和析氧中的應(yīng)用。

15、本發(fā)明的有益效果：

16、1、本發(fā)明提供的釕鈷固溶體氧化物納米材料整體呈現(xiàn)表面粗糙且均勻的纖維形態(tài)，具備較多的暴露活性位點(diǎn)以及優(yōu)異的電子傳輸性能。

17、2、本發(fā)明提供的釕鈷固溶體氧化物的制備方法簡(jiǎn)單易行、成本較低且制備周期短，有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

18、3、本發(fā)明提供的釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料可以作為工業(yè)級(jí)電流密度下電解水雙功能催化劑，通過調(diào)節(jié)釕、鈷元素的比例展現(xiàn)了優(yōu)異的催化活性，有效提高了反應(yīng)的穩(wěn)定性且降低了反應(yīng)所需的過電位。其電催化her和oer電流密度達(dá)到1a/cm2時(shí)，需要的過電位分別僅為149mv和362mv，催化穩(wěn)定性均達(dá)到120h，滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的需要。

技術(shù)特征：

1.一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料的制備方法，其步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料的制備方法，其特征在于，步驟a1中鈷鹽和釕鹽的總質(zhì)量與聚乙烯吡咯烷酮的質(zhì)量比為1:1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料的制備方法，其特征在于，步驟a1中鈷鹽與釕鹽的摩爾比為1：(1～3)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料的制備方法，其特征在于，步驟a1中鈷鹽為乙酸鈷、硝酸鈷或氯化鈷中的一種；釕鹽為氯釕酸鉀、氯化釕或氯釕酸銨中的一種。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料的制備方法，其特征在于，步驟a1中聚乙烯吡咯烷酮的分子量為1000～1500kda。

6.一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料，其特征在于，是由權(quán)利要求1～5任一項(xiàng)所述方法制備得到。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料，其特征在于，所述釕鈷固溶體氧化物納米纖維為直徑100～400nm，長(zhǎng)度大于5μm的一維材料。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料在工業(yè)級(jí)電流密度下堿性電催化析氫和析氧中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于固溶體納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明采用靜電紡絲技術(shù)結(jié)合空氣氛圍煅燒制備了釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料，其整體表現(xiàn)為表面粗糙且均勻的纖維形態(tài)，具備較多的暴露活性位點(diǎn)以及優(yōu)異的電子傳輸性能。本發(fā)明提供的制備方法簡(jiǎn)單易行、成本較低且制備周期短，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明制備的釕鈷固溶體氧化物納米纖維材料作為電催化水分解雙功能電催化劑，在工業(yè)級(jí)電流密度下展現(xiàn)了優(yōu)異的析氫和析氧催化活性以及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了高效穩(wěn)定且清潔綠色的氫能源生產(chǎn)，解決了工業(yè)上電催化劑活性低、穩(wěn)定性差以及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，具有很高的實(shí)際應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：盧曉峰,余先強(qiáng),鐘夢(mèng)曉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9