本發(fā)明具體涉及類石墨烯二維材料，鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米材料的制備，屬于類石墨烯二維納米材料的制備技術(shù)與電催化材料應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電催化反應(yīng)與能源的發(fā)展密不可分，電催化反應(yīng)與燃料電池、鋰空氣電池和電解水有著直接的關(guān)聯(lián)。這些反應(yīng)都是綠色高效的產(chǎn)能或儲(chǔ)能手段，完全符合現(xiàn)代發(fā)展對于能源的要求，析氧反應(yīng)作為電催化反應(yīng)的一個(gè)重要半反應(yīng)，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

在析氧反應(yīng)催化劑研究的早期，主要關(guān)注對象是Ru、Ir，Pt等貴金屬材料。貴金屬材料由于高昂的成本限制了自身的廣泛應(yīng)用。隨著近年來的研究發(fā)展，為了避免高昂的使用成本，過渡金屬氫氧化物在析氧反應(yīng)催化方面的研究受到了廣泛的重視。Ming Gong等人(J Am Chem Soc,135(2013)8452-8455)報(bào)道了鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)材料作為析氧反應(yīng)催化劑的優(yōu)異性能。此后相關(guān)的材料一直成為析氧反應(yīng)催化材料的研究熱點(diǎn)。

二維材料在電子傳輸或者熱傳遞時(shí)被限制在一個(gè)平面內(nèi)，這一獨(dú)特的物理特性使其受到了廣泛的關(guān)注。當(dāng)二維材料作為電催化劑時(shí)，不但高電子傳輸速率在反應(yīng)過程中對材料的性能有著較高的提升，高的比表面積與更多的活性暴露位點(diǎn)有利于催化活性的進(jìn)一步提升。

目前國際上使用的二維水滑石材料的制備主要圍繞著電沉積與液相剝離，這兩種方法制備的材料合成周期長產(chǎn)量低不利于大規(guī)模的制備。在此選用微波加熱液相合成，與傳統(tǒng)方式相比，合成周期短，材料均一，對環(huán)境友好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了合成高產(chǎn)量、高品質(zhì)的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片從而解決了現(xiàn)有催化劑存在的電流密度低，過電位高，穩(wěn)定性差的問題。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種用于析氧反應(yīng)的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的制備方法，包括下列步驟：

(1)將鎳源化合物和鐵源化合物溶于親水性溶劑中，其中鐵原子與鎳原子的摩爾比例為1:(2～100)，金屬鹽的總濃度0.05～1.5mol/L。

(2)將步驟(1)所得的溶液加入有機(jī)鈉鹽和堿性試劑，溶解后有機(jī)鈉鹽的摩爾濃度為0.001～0.5mol/L，氫氧根離子的摩爾濃度為0.2～6mol/L。

(3)將步驟(2)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波激發(fā)條件下加熱，反應(yīng)功率為300～900W，反應(yīng)時(shí)長為10～120分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

以上所述的鎳源化合物為硝酸鎳，氯化鎳，草酸鎳，硫酸鎳中的一種或者兩種以上的混合鹽；鐵源化合物為硝酸鐵，硝酸亞鐵，氯化鐵，氯化亞鐵，草酸亞鐵，硫酸鐵，硫酸亞鐵中的一種或者兩種以上的混合鹽；親水性溶劑為去離子水，乙醇，乙二醇，丙三醇，異丙醇，異丁醇，癸醇中的一種或者兩種以上的混合溶液；有機(jī)鈉鹽為檸檬酸三鈉，酒石酸鈉，十二烷基苯磺酸鈉，十二烷基磺酸鈉，十二烷基硫酸鈉中的一種或者兩種以上的混合鹽；堿性試劑為氫氧化鉀，氫氧化鈉，氨水，尿素，乙二胺中的一種或者兩種以上的混合鹽。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，nafion與混合溶液中混合溶液比例為1:(9～20)。將配制好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。

有益效果

1.本發(fā)明的一種微波液相合鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的方法，其微觀結(jié)構(gòu)形貌特征為超薄、大面積，可用于析氧反應(yīng)催化材料。

2.本發(fā)明的一種微波液相合成鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的方法，操作簡單，成本低廉，反應(yīng)條件溫和，整個(gè)反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，反應(yīng)溫度在60～190℃之間，反應(yīng)時(shí)間為10～120分鐘，產(chǎn)物尺寸形貌均勻分散性好。

3.本發(fā)明的一種微波液相合成鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的方法，是析氧反應(yīng)的良好催化劑，在1M KOH溶液中，掃速為10mV/s時(shí)，在過電位2.88V下，電流密度可達(dá)到10mAcm^-2。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1所制備的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的X-射線衍射圖譜；

圖2為實(shí)施例3所制備的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的投射電子顯微鏡圖；

圖3為實(shí)施例5所制備的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片在1M KOH電解液中的線性伏安法掃描性能。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述，有助于理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

(1)將1.6g的氯化鎳和0.2g草酸亞鐵溶于80mL去離子水中，加入0.3g的酒石酸鈉和3.2g的氫氧化鉀繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率為500W條件下加熱反應(yīng)30分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為95:5。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在掃描速率為10mV/s的掃速下測量，過電位3.16V時(shí)，電流密度可達(dá)到10mA cm^-2。

圖1為本實(shí)施例所制得的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的X射線衍射圖譜，從圖中可以看出所獲得的材料有很好的水滑石結(jié)構(gòu)特征峰，并且材料的結(jié)晶良好。

實(shí)施例2

(1)將2.1g的硝酸鎳和0.3g的硫酸亞鐵溶于60mL水和40mL乙二醇的混合溶劑中，加入1.1g的十二烷基苯磺酸鈉和3.2g的氫氧化鈉繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率700W下加熱反應(yīng)15分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為90:10。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在掃描速率為50mV/s的掃速下測量，過電位3.02V時(shí)，電流密度可達(dá)到10mA cm^-2。

實(shí)施例3

(1)將2.8g的硫酸鎳和0.6g氯化亞鐵溶于30mL水和75mL乙醇的混合溶劑中，加入0.8g的檸檬酸三鈉和3.2g的尿素繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率600W條件下加熱反應(yīng)120分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為93:7。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在掃描速率為80mV/s的掃速下測量，過電位2.92V時(shí)，電流密度可達(dá)到10mA cm^-2。

圖2為本實(shí)施例所制得的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的投射電子顯微鏡，從圖中可以看出所獲得的材料有很好的納米片形貌，并且材料的形貌均一、分散性好。

實(shí)施例4

(1)將4.2g的氯化鎳和0.6g硫酸亞鐵溶于30mL癸醇和70mL乙二醇的混合溶劑中，加入0.8g的十二烷基磺酸鈉和3.2g的乙二胺繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率900W條件下，加熱反應(yīng)20分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為95:5。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在掃描速率為60mV/s的掃速下測量，過電位2.98V時(shí)，電流密度可達(dá)到10mA cm^-2。

實(shí)施例5

(1)將5.2g的草酸鎳和2.1g硝酸亞鐵溶于20mL水、30mL乙醇和60mL癸醇的混合溶劑中，加入0.8g的十二烷基硫酸鈉、0.2g的酒石酸鈉和3.2g的尿素繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率500W條件下加熱反應(yīng)50分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為95:5。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在10mv/s的掃速下測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3為本實(shí)施例所制得的鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片的析氧反應(yīng)性能圖，如圖中所示縱坐標(biāo)在不同外加電位下，析氧反應(yīng)產(chǎn)生的電流密度。圖中顯示在過電位為2.88V時(shí)材料的電流密度就能達(dá)到10mAcm^-2。

實(shí)施例6

(1)將1.4g的草酸鎳和0.3g硝酸鐵溶于70mL水、20mL乙醇和30mL異丙醇的混合溶劑中，加入0.8g的十二烷苯磺酸鈉、0.9g的酒石酸鈉和3.2g的氫氧化鈉繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率800W條件下加熱反應(yīng)50分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為93:7。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在掃描速率為30mV/s的掃速下測量，過電位3.08V時(shí)，電流密度可達(dá)到10mA cm^-2。

實(shí)施例7

1)將5.2g的硝酸鎳和2.1g氯化亞鐵溶于90mL乙醇和20mL癸醇的混合溶劑中，加入0.8g的十二烷基硫酸鈉和3.2g的尿素繼續(xù)攪拌15～20分鐘形成澄清溶液。

(2)將步驟(1)所得的溶液轉(zhuǎn)移至玻璃器皿中，在微波功率600W條件下加熱反應(yīng)20分鐘，冷凝回流，待反應(yīng)結(jié)束后，自然冷卻至室溫。

(3)將上步得到的材料先后用去離子水和無水乙醇洗滌后放入真空干燥箱干燥后便可得到鐵鎳水滑石結(jié)構(gòu)納米片。

(4)將上步合成的材料用于電解水(析氧反應(yīng))催化材料，將材料分散在混合溶液與nafion中，混合溶液中混合溶液與nafion比例為90:10。將配置好的溶液涂敷在玻碳電極表面，室溫晾干。采用三電極體系用線性掃描伏安法進(jìn)行測試，電解液為1M KOH。在掃描速率為5mV/s的掃速下測量，過電位3.28V時(shí)，電流密度可達(dá)到10mA cm^-2。