權(quán)利要求
1.單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： (1)利用水熱法制備鎳鐵雙金屬水滑石材料； (2)將含有三氯化釕的水溶液作為單原子釕的前驅(qū)體溶液，經(jīng)過溶劑熱反應將單原子釕負載在鎳鐵雙金屬水滑石材料，得到單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料； 溶劑熱反應條件為：80～160℃反應2～10h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)具體為： 配制Ni(NO 3) 2·6H 2O、FeCl 2·4H 2O和尿素的水溶液，作為前驅(qū)體溶液，在100～160℃下水熱反應6～12h得到鎳鐵雙金屬水滑石材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，其特征在于，水溶液中Ni(NO 3) 2·6H 2O的濃度為15～60mM。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，其特征在于，F(xiàn)eCl 2·4H 2O的濃度為5～20mM。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，其特征在于，尿素的濃度為100～400mM。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)中單原子釕的前驅(qū)體溶液由以下方法配制： 將2mg三氯化釕和30mg鎳鐵雙金屬水滑石溶于14mL的0.01M氫氧化鈉溶液中，再滴加1mL的1M硼氫化鈉水溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的制備方法得到的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的應用，其特征在于，在堿性水溶液中進行電催化析氧反應。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的應用，其特征在于，將單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料負載在泡沫鎳上作為工作電極； 以對電極為鉑電極、參比電極為氧化汞電極，在堿性電解液進行電催化析氧反應。
說明書
單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料、制備方法及其應用
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于
納米材料應用領(lǐng)域，尤其是單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料、制備方法及其應用。
背景技術(shù)
隨著全球的飛速發(fā)展，能源問題成為了一直困擾著人們的重要問題之一。煤炭、石油和天然氣等不可再生的化石能源負擔著全球80％以上的能源消耗。然而，化石能源燃燒過程中的排放對環(huán)境造成嚴重危害，例如全球變暖和空氣污染。因此，人們對清潔能源的關(guān)注度逐步提高。清潔能源包括很多種，例如風能、太陽能、潮汐能和氫能。其中風能、太陽能等可再生能源通常受地理位置和環(huán)境條件的限制，不能有效地利用，造成大量的能源浪費。氫能是一個便利且高能量的能源，尤其是作為最具有潛力的綠色能源，氫氣備受關(guān)注。目前主流的
制氫技術(shù)主要有：化石燃料制氫、水電解制氫、生物質(zhì)制氫、太陽能光解制氫等方式?；剂现茪浼夹g(shù)是目前應用最多，最廣泛的技術(shù)，但是由于其面臨著資源有限，制氫過程污染嚴重，初期投資成本高等問題，因此是一種不可發(fā)展持續(xù)的制氫技術(shù)。自18世紀首次發(fā)現(xiàn)電解水現(xiàn)象，經(jīng)過200多年發(fā)展，現(xiàn)在已成為重要的可持續(xù)制氫技術(shù)。
電解水分為兩個半反應，分別為陰極析氫反應和陽極析氧反應，但是陽極析氧反應存在四電子反應，因此具有緩慢的動力學反應，限制了電解水產(chǎn)氫過程。需要尋找一種高效穩(wěn)定的析氧催化劑，進而加快析氧反應速率和降低所需過電勢來幫助電解水制氫。目前工業(yè)上電解水制氫的析氧反應催化劑為氧化釕、氧化銥等貴金屬，但是由于貴金屬均存在稀缺及穩(wěn)定性差的缺點，因此需要尋找一種低成本高效且穩(wěn)定的催化劑來代替貴金屬催化劑。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料、制備方法及其應用。
為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的制備方法，包括以下步驟：
(1)利用水熱法制備鎳鐵雙金屬水滑石材料；
(2)將含有三氯化釕的水溶液作為單原子釕的前驅(qū)體溶液，經(jīng)過溶劑熱反應將單原子釕負載在鎳鐵雙金屬水滑石材料，得到單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料；
溶劑熱反應條件為：80～160℃反應2～10h。
進一步的，步驟(1)具體為：
配制Ni(NO 3) 2·6H 2O、FeCl 2·4H 2O和尿素的水溶液，作為前驅(qū)體溶液，在100～160℃下水熱反應6～12h得到鎳鐵雙金屬水滑石材料。
進一步的，水溶液中Ni(NO 3) 2·6H 2O的濃度為15～60mM。
進一步的，F(xiàn)eCl 2·4H 2O的濃度為5～20mM。
進一步的，尿素的濃度為100～400mM。
進一步的，步驟(2)中單原子釕的前驅(qū)體溶液由以下方法配制：
將2mg三氯化釕和30mg鎳鐵雙金屬水滑石溶于14mL的0.01M氫氧化鈉溶液中，再滴加1mL的1M硼氫化鈉水溶液。
本發(fā)明的制備方法得到的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料。
本發(fā)明的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的應用，其特征在于，在堿性水溶液中進行電催化析氧反應。
進一步的，將單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料負載在泡沫鎳上作為工作電極；
以對電極為鉑電極、參比電極為氧化汞電極，在堿性電解液進行電催化析氧反應。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料及其制備方法，制備方法簡單高效，組分比例可調(diào)控，成本低廉，很大程度提升析氧反應速率并且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過水熱合成法先一步合成過渡金屬鎳基水滑石材料，再通過二次溶劑熱法將少量貴金屬釕還原為單原子并且成功負載在過渡金屬鎳基水滑石材料上。制得的材料相比于貴金屬而言很大程度降低成本并且改善了其穩(wěn)定性差的缺點。
本發(fā)明的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料，材料原位生長，結(jié)合緊密，不易脫落，相比于貴金屬催化劑大程度降低成本同時加快析氧反應速率。經(jīng)材料表征顯示催化劑有良好的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)堿性條件下的電催化析氧反應，具有高活性和穩(wěn)定性。
附圖說明
圖1為實施例1的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的X射線光電子能譜圖；
圖2為實施例1的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的掃描電子顯微鏡圖；
圖3為實施例1制得的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的球差校正透射電子顯微鏡(AC-TEM)圖；
圖4為實施例1的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的析氧反應性能測試圖。
具體實施方式
為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分的實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。
需要說明的是，本發(fā)明的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當情況下可以互換，以便這里描述的本發(fā)明的實施例能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤４送?，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設備固有的其它步驟或單元。
目前，在各類新型催化劑中，水滑石由于具有層間距可控，比表面積大和離子交換等特性而備受關(guān)注，但其導電性能也有一定不足。貴金屬作為目前工業(yè)廣泛應用的電催化劑本發(fā)明將少量貴金屬負載在過渡金屬水滑石材料上，首先相比于貴金屬大程度降低成本，其次相比于單純過渡金屬基水滑石材料，導電性得到很大程度提高，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：
實施例1：
(1)鎳鐵雙金屬水滑石的制備
配制含15mM Ni(NO 3) 2·6H 2O、5mM FeCl 2·4H 2O和100mM尿素的40mL水溶液，作為前驅(qū)體溶液，在100℃下水熱反應6小時，將反應產(chǎn)物進行洗滌過濾，得到鎳鐵雙金屬水滑石材料。
(2)單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石的制備
將2mg三氯化釕和30mg鎳鐵雙金屬水滑石材料溶于14mL的0.01M氫氧化鈉溶液中，充分溶解后再緩慢滴加1mL的1M硼氫化鈉水溶液，將混合液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯放入反應釜中，在80℃下溶解熱反應2小時，將反應產(chǎn)物進行洗滌過濾，得到單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料。
參見圖1，圖1是實施例1制得的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的XPS圖，從圖中可以看出，Ni、Fe和Ru的存在，單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的成功制備。
參見圖2，圖2是實施例1制得的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的掃描電子顯微鏡圖，可以看出材料呈納米片狀。
參見圖3，圖3是實施例1制得的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的球差校正透射電子顯微鏡(AC-TEM)圖，可以看出單原子釕。
參見圖4，圖4是實施例1制得的單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料的
電化學線性伏安曲線圖，在1.0M KOH溶液中，以掃速為5mV·s -1進行測試，其中工作電極工作面積為0.196cm 2，從圖上可知，在析氧反應過程中，達到電流密度為10mA·cm -2時，僅需248mV的過電勢。
實施例2：
(1)鎳鐵雙金屬水滑石的制備
配制含30mM Ni(NO 3) 2·6H 2O、10mM FeCl 2·4H 2O和200mM尿素的40mL水溶液，充分溶解制得前驅(qū)體溶液，在120℃下水熱反應10小時，將反應產(chǎn)物進行洗滌過濾，得到鎳鐵雙金屬水滑石材料。
(2)單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石的制備
將2mg三氯化釕和30mg鎳鐵雙金屬水滑石材料溶于14mL的0.01M氫氧化鈉溶液中，充分溶解后再緩慢滴加1mL的1M硼氫化鈉水溶液，將混合液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯放入反應釜中，在120℃下溶解熱反應6小時，將反應產(chǎn)物進行洗滌過濾，得到單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料。
實施例3：
(1)鎳鐵雙金屬水滑石的制備
配制含60mM Ni(NO 3) 2·6H 2O、20mM FeCl 2·4H 2O和400mM尿素的40mL水溶液，充分溶解制得前驅(qū)體溶液，在160℃下水熱反應12小時，將反應產(chǎn)物進行洗滌過濾，得到鎳鐵雙金屬水滑石材料。
(2)單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石的制備
將2mg三氯化釕和30mg鎳鐵雙金屬水滑石材料溶于14mL的0.01M氫氧化鈉溶液中，充分溶解后再緩慢滴加1mL的1M硼氫化鈉水溶液，將混合液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯內(nèi)襯放入反應釜中，在160℃下溶解熱反應10小時，將反應產(chǎn)物進行洗滌過濾，得到單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料。
以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。
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聲明：
“單原子釕負載的鎳鐵雙金屬水滑石材料、制備方法及其應用” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：陜西科技大學
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2025年03月21日 ~ 23日 
