[发明专利]一种硒化物薄膜修饰泡沫镍电极的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种硒化物薄膜泡沫镍电极的制备方法。该方法包括以下步骤：将泡沫镍电极用盐酸和乙醇进行表面化处理，除去表面的氧化镍层，得到干净新鲜的金属表面；预处理后，将该泡沫镍电极浸入到过渡金属氯化物、硫族氧化物及支持电解质的混合溶液中，在泡沫镍电极表面用电化学方法沉积硒化物薄膜。通过电化学沉积方法所得到的硒化物薄膜稳定，可以实现水分解的氧催化析出；而且泡沫镍电极具有多层结构，这种特殊的三维多孔结构，与其他一维或二维的基底电极相比，具有更丰富的表面积，而且价格便宜，有利于工业大规模应用；该薄膜催化剂有望用于电解水制氢研究领域。

技术领域

本发明属于环境工程领域，具体涉及硒化物薄膜的制备方法，尤其涉及一种用于催化水分解氧析出的硒化物薄膜修饰泡沫镍电极的制备方法及其应用。

背景技术

随着全球经济的发展，人们对煤炭、石油和天然气等自然资源的消耗日益剧增，氢燃料作为一种清洁、安全和高效的可持续性新能源，越来越多地受到人们关注。氢燃料的最大来源是水，从中提取出的氢能是地球化石燃料热量的9000倍。由于电解水制氢可以将可再生能源如太阳能、风能和潮汐能等以氢为媒介进行存储和转化；因此，电解水制氢已经逐渐开始取代传统蒸汽重整制氢的方法，这一方面消除了对天然气的依赖，另一方面又增加了氢气的纯度，可以降低成本。电解水制氢包括两个重要的基本反应，即阴极水的还原氢析出和阳极水的氧化氧析出。其中阳极氧析出反应的动力学比较缓慢，需要提供高于理论水分解电压的过电压来加速两极反应，导致严重的电能损失，降低了能量转化效率，从而严重制约了电解水制氢的发展。一些贵金属和贵金属氧化物如Pt、RuO₂和IrO₂等能够有效催化水分解氧析出反应，降低反应过电压，提高反应速率，但是其价格昂贵而且储量有限，成为制约电解水规模化工业应用的制约因素之一。因此理性的设计新型高性能、低成本的阳极氧析出催化材料成为了电解水制氢领域的一个热点，对于发展及促进电解水的工业化应用具有重要意义。

近年来，过渡金属硫族化合物因其丰富的电子结构，在光电催化领域具有广阔的应用前景。最近，研究人员发现，一些基于过渡金属硫族化合物的非贵金属材料有望为工业化电解水提供高效、稳定而廉价的水氧化反应电催化剂。俞书宏教授课题组利用CoSe₂内在的催化氧析出性质以及耦合复合材料间的协同增强效应，通过化学嫁接手段，设计了一系列高效稳定的CoSe₂基复合材料催化剂如Mn₃O₄/CoSe₂、CeO₂/CoSe₂和MnS₂/CoSe₂等(1.Gao,M.R；Xu,Y.F；Jiang,J et al.,J.Am.Chem.Soc.,2012,134,2930；2.Zheng,Y.R；Gao,M.R；Gao,Q et al.,Small,2015,11,182；3.Gao,M.R；Liang,J.X；Zheng,Y.R et al.,NatureCommun.,2015,6,69)。谢毅教授课题组通过化学剥离手段设计了CoSe₂纳米带催化剂(Liu，Y.W.；Cheng，H；Lyu，M.J.；FanS.J et al.,J.Am.Chem.Soc.,2014,136,15670)，该催化剂展现出高效稳定的催化氧析出性能。然而，上述催化剂的制备存在以下问题：(1)需要使用有机溶剂，而且过程较繁琐，耗时长，成本高，难以实现工业化生产；(2)上述催化剂均为粉末态物质，在实现其催化水分解性能时，需要借助聚合物粘合剂如Nafion固定到导电基底上，由于非导电物质Nafion的额外加入而导致其催化阳极氧析出活性的降低。因此，如何采用一种简便温和的方法制备出无粘合剂、且具有高导电性的薄膜催化剂成为电解水工业化应用亟待解决的关键问题之一。