一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂及其制备方法与流程

1.本技术属于纳米结构制备领域，特别是涉及一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂及其制备方法。


背景技术：

2.探索高效、低成本的电催化剂是一项具有挑战性的任务。铁基氢氧化物由于储量丰富、价格低廉、化学性质稳定等优势而引起人们的广泛关注。然而，铁基氢氧化物存在导电性差、活性位点少和本征活性低等问题，使其电催化性能仍相对较差。为了解决这些问题，调控催化剂的形貌已被证实是有效的方法来提高催化性能(adv.mater.2016,28,4601
‑
4605；angew.chem.int.ed.2017,56,5867
‑
5871.)，然而，上述方法不仅步骤繁琐，且只增加电催化剂的活性位数目(没有提高电催化剂的导电性和本征活性)，并不适合大规模的生产应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂及其制备方法，以克服现有技术的不足。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂制备方法，其包括以下步骤：
6.s1，以摩尔比取以下原料：硝酸铁：氟化铵：尿素：硫脲为1：1：2：(1
‑
3)；
7.s2，配置反应溶液：将硝酸铁、氟化铵和尿素溶于去离子水中混合均匀形成混合液a；每70ml去离子水中加入1mmol硝酸铁；
8.s3，将泡沫镍加入混合液a中进行水热反应，获得fe(oh)
x
/nf前驱体；
9.s4，将硫脲溶于去离子水中配制成混合溶液b，每70ml去离子水中加入1
‑
3mmol硫脲；
10.s5、将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到混合溶液b中进行水热反应，得到硫掺杂氢氧化铁电催化剂。
11.进一步的，硝酸铁：氟化铵：尿素：硫脲摩尔比为1:1:2:2。
12.进一步的，泡沫镍采用20ml甲醇和20ml去离子水超声混合形成的混合溶液。
13.进一步的，将泡沫镍加入混合液a中进行水热反应，反应温度为100℃
‑
150℃，保温时间为10h
‑
15h。
14.进一步的，将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到混合溶液b中进行水热反应，反应温度为100℃
‑
150℃，保温时间为10h
‑
15h。
15.进一步的，将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到混合溶液b中进行水热反应后从水热釜冷却到室温时取出，并用去离子水和酒精清洗得到硫掺杂氢氧化铁电催化剂。
16.一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂，所述硫掺杂氢氧化铁电催化剂化学通式为s
‑
fe(oh)
x
/nf。
17.进一步的，以摩尔量计由以下原料制备而成：硝酸铁：1mmol、氟化铵：1mmol、尿素：2mmol、硫脲：1
‑
3mmol。
18.进一步的，所述硫掺杂氢氧化铁电催化剂化学通式为s1‑
fe(oh)
x
/nf，或s2‑
fe(oh)
x
/nf，或s3‑
fe(oh)
x
/nf。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
20.本发明一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂制备方法，按摩尔比取原料硝酸铁，氟化铵，尿素和硫脲，然后采用水热法将硝酸铁、氟化铵和尿素溶于去离子水中混合均匀得到混合溶液，然后采用泡沫镍进行热反应形成fe(oh)
x
/nf前驱体，再以去离子水配制硫脲溶液，进行热反应融合得到了硫掺杂fe(oh)x/nf样品，其形貌为纳米片表面沉积褶皱状的纳米层。本发明提供的硫掺杂fe(oh)x/nf样品原料易得、合成过程简单，易于大规模制备，且制备方法在生产工艺上简单可控，重复性好。通过改变s的掺杂量调控了fe(oh)x/nf的电子结构，增加了活性位数目并提高了本征活性，从而使制备的催化剂具有优异的析氧性能。
21.本发明一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂，当电流密度达到200ma cm
‑2时所需的析氧过电位为261mv
‑
285mv。
附图说明
22.图1为本发明实施例1中所获硫掺杂fe(oh)x/nf的扫描电镜照片；
23.图2为本发明实施例2中所获硫掺杂fe(oh)x/nf的扫描电镜照片；
24.图3为本发明实施例3中所获硫掺杂fe(oh)x/nf的扫描电镜照片；
25.图4为本发明实施例1、2和3中所获中硫掺杂fe(oh)x/nf的极化曲线图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
27.下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。
28.一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂制备方法，其包括以下步骤：
29.s1，以摩尔比计取以下原料：硝酸铁：氟化铵：尿素：硫脲为1：1：2：(1
‑
3)；
30.s2，配置反应溶液：将硝酸铁、氟化铵和尿素溶于去离子水中混合均匀形成混合液a；每70ml去离子水中加入1mmol硝酸铁；
31.s3，水热反应：将泡沫镍加入混合液a中进行水热反应，获得fe(oh)
x
/nf前驱体；
32.s4，将硫脲溶于去离子水中配制成混合溶液b，每70ml去离子水中加入1
‑
3mmol硫脲；
33.s5、水热反应，将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到混合溶液b中进行水热反应，得到目标产物硫掺杂氢氧化铁电催化剂。
34.优选的，硝酸铁、氟化铵、尿素和硫脲的摩尔量分别为1mmol、1mmol、2mmol和2mmol，去离子水的体积为70ml。
35.其步骤s2中泡沫镍采用20ml甲醇和20ml去离子水超声混合形成的混合溶液，具体
的，超声混合时长为10min。
36.将泡沫镍加入混合液a中进行水热反应，反应温度为100℃
‑
150℃，保温时间为10h
‑
15h；优选的，反应温度为120℃，保温时间为12h。
37.将泡沫镍加入混合液a中进行水热反应后水热釜冷却到室温时取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，得到fe(oh)
x
/nf前驱体。
38.将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到混合溶液b中进行水热反应，反应温度为100℃
‑
150℃，保温时间为10h
‑
15h；优选的，应温度为120℃，保温时间为12h。
39.将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到混合溶液b中进行水热反应后从水热釜冷却到室温时取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，形成硫掺杂fe(oh)
x
/nf样品。本发明采用水热法制备了硫掺杂fe(oh)
x
/nf样品，其形貌为纳米片表面沉积褶皱状的纳米层。本发明提供的硫掺杂fe(oh)
x
/nf样品原料易得、合成过程简单，易于大规模制备，应用于电催化领域，并且用硫掺杂fe(oh)
x
/nf样品作为正极材料具有优异的析氧性能。
40.一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂，以摩尔量计由以下原料制备而成：硝酸铁：1mmol、氟化铵：1mmol、尿素：2mmol、硫脲：1
‑
3mmol。
41.一种硫掺杂氢氧化铁电催化剂，其化学通式为s
‑
fe(oh)
x
/nf；优选的是，所述化学式可以为s1‑
fe(oh)
x
/nf，或s2‑
fe(oh)
x
/nf，或s3‑
fe(oh)
x
/nf。具体制备过程详见以下实施例：
42.实施例1
43.本实施例1的一种硫掺杂fe(oh)
x
/nf的制备方法，具体是s1‑
fe(oh)
x
/nf的制备方法。
44.步骤1)、配置反应溶液，将1mmol硝酸铁、1mmol氟化铵和2mmol尿素溶于70ml去离子水中配成硝酸铁、氟化铵和尿素混合溶液；
45.步骤2)、水热反应，将经过20ml甲醇和20ml去离子水混合溶液超声10min的泡沫镍加入到步骤1)混合溶液并放入反应釜，随后将反应釜放入120℃的烘箱中保持12小时；水热釜冷却到室温时将泡沫镍取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，得到fe(oh)
x
/nf前驱体；
46.步骤3)、配置反应溶液，将1mmol硫脲溶于70ml去离子水中配制成硫脲溶液；
47.步骤4)、水热反应，将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到步骤3)溶液中并放入反应釜，随后将反应釜放入120℃的烘箱中保持12小时；水热釜冷却到室温时将泡沫镍取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，得到s1‑
fe(oh)
x
/nf。
48.图1为实施例1中所获硫掺杂fe(oh)
x
/nf的扫描电镜照片，由图1可以看出其相貌为相互交错的纳米片，且纳米片厚度均匀。
49.实施例2
50.本实施例2的一种硫掺杂fe(oh)
x
/nf的制备方法，是指s2‑
fe(oh)
x
/nf的制备方法。
51.步骤1)、配置反应溶液，将1mmol硝酸铁、1mmol氟化铵和2mmol尿素溶于70ml去离子水中配成硝酸铁、氟化铵和尿素混合溶液；
52.步骤2)、水热反应，将经过20ml甲醇和20ml去离子水混合溶液超声10min的泡沫镍加入到步骤1)混合溶液并放入反应釜，随后将反应釜放入120℃的烘箱中保持12小时；水热釜冷却到室温时将泡沫镍取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，形成fe(oh)
x
/nf前驱体；
53.步骤3)、配置反应溶液，将2mmol硫脲溶于70ml去离子水中配制成硫脲溶液；
54.步骤4)、水热反应，将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到步骤3)溶液中并放入反应釜，随后将反应釜放入120℃的烘箱中保持12小时；水热釜冷却到室温时将泡沫镍取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，形成s2‑
fe(oh)x/nf。
55.图2为实施例2中所获硫掺杂fe(oh)
x
/nf的扫描电镜照片，由图可以看出其相貌为纳米片表面沉积褶皱状的纳米层。
56.实施例3
57.本实施例3的一种硫掺杂fe(oh)
x
/nf的制备方法，是指s3‑
fe(oh)
x
/nf的制备方法。
58.步骤1)、配置反应溶液，将1mmol硝酸铁、1mmol氟化铵和2mmol尿素溶于70ml去离子水中配成硝酸铁、氟化铵和尿素混合溶液；
59.步骤2)、水热反应，将经过20ml甲醇和20ml去离子水混合溶液超声10min的泡沫镍加入到步骤1)混合溶液并放入反应釜，随后将反应釜放入120℃的烘箱中保持12小时；水热釜冷却到室温时将泡沫镍取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，形成fe(oh)
x
/nf前驱体；
60.步骤3)、配置反应溶液，将3mmol硫脲溶于70ml去离子水中配制成硫脲溶液；
61.步骤4)、水热反应，将fe(oh)
x
/nf前驱体加入到步骤3)溶液中并放入反应釜，随后将反应釜放入120℃的烘箱中保持12小时；水热釜冷却到室温时将泡沫镍取出，并用去离子水和酒精清洗其表面，形成s3‑
fe(oh)
x
/nf。
62.图3为实施例3中所获硫掺杂fe(oh)
x
/nf的扫描电镜照片，由图可以看出其相貌为纳米片表面沉积了密实的褶皱状的纳米层。
63.采用甘汞电极作为参比电极、铂片电极为对电极和硫掺杂fe(oh)
x
/nf为工作电极在1mol/l的naoh溶液中进行三电极测试，其极化曲线如图4所示，可以看出硫掺杂fe(oh)
x
/nf显示优异的析氧性能，特别是实施例2具有最好的析氧性能，当电流密度达到200ma cm
‑2时所需的析氧过电位仅为261mv。由此可见，不同含量的s掺杂对fe(oh)
x
/nf的形貌产生不同的影响，并通过形貌调控影响其析氧性能。