[发明专利]氮掺杂偏磷酸镍纳米颗粒及其制备方法和应用

说明书

一种氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒材料及其制备方法，属于催化剂制备技术领域。所述氮掺杂的偏磷酸镍(N‑Ni₂P₄O₁₂)纳米颗粒材料具有多级纳米结构，在～100nm的网络状互联的纳米颗粒表面分布着无数5～10nm的纳米晶，其中，氮的掺杂量为4％～8％。本发明提供的负载氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒的电极在氧析出反应中表现出很好的催化活性，从电化学极化曲线可以看出负载氮掺杂的Ni₂P₄O₁₂纳米颗粒的电极在析氧反应时仅需280mV就能驱动30mA cm^‑2的电流密度，同时拥有很好的催化稳定性。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒材料及其制备方法，以及在电催化析氧反应中的应用。

背景技术

化石能源的不断消耗所带来的资源短缺与环境污染问题愈发严重，在可持续发展观的指导下，世界各国都把以氢能为代表的新能源开发作为研究的主要方向。得益于科技进步，太阳能、风能等清洁能源大量应用于发电，使得能够实现制氢过程“零污染”的水电解制氢技术的成本持续降低。然而，电解水双电极上分别发生的析氢和析氧反应都产生过电势引起能量损失。阳极催化析氧反应因更高的过电势所带来的高电能损耗成为了限制电解水技术发展的瓶颈问题。同时，贵金属催化剂的使用所带来的高成本也制约了电解水技术的大规模可持续性使用。为替换传统的碳载贵金属(钌和铱氧化物)材料，开发成本低、活性高、效益好、低污染的非贵金属基的阳极催化材料是目前亟待解决的问题。

Xu等(J.Mater.Chem.A 2016,4,8155)报道了一种负载在氮掺杂碳上的磷酸钴纳米颗粒，具有较好的催化活性与稳定性；Xing等(Appl.Catal.B:Environ.2017,204,486)报道了一种Ni₁₂P₅/Ni₃(PO₄)₂复合材料的制备方法与电催化氧析出应用。上述材料的制备均采用水热法，虽然工艺简单，但其不适用于材料的大规模生产。另外，上述制备的催化材料均为粉末状，需后期加粘结剂涂覆于导电基底上形成电极，增加了时间成本与工艺复杂度。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒材料及其制备方法。本发明提供的负载氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒的电极在电解水氧析出反应中表现出很好的催化性能和连续电解稳定性，且材料制备成本低，工艺简单，易于批量生产。

本发明的技术方案如下：

一种氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒材料，其特征在于，所述氮掺杂的偏磷酸镍(N-Ni₂P₄O₁₂)纳米颗粒材料具有多级纳米结构，在～100nm的网络状互联的纳米颗粒表面分布着无数5～10nm的纳米晶，其中，氮的掺杂量为4％～8％(at％)。

一种氮掺杂的偏磷酸镍纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将Ni源和过硫酸盐按照摩尔比为(3～4)：1的比例加入去离子水中，混合均匀后得到混合液A，然后向混合液A中加入氨水，得到混合液B；其中，Ni源的浓度为0.2～0.3mol/L，混合液A与氨水的体积比为(10～20):1；

步骤2：将导电基底放入步骤1配制的混合液B中，静置15～20min用于Ni(OH)₂纳米片前驱体的生长，然后取出清洗，自然晾干；

步骤3：将步骤2得到的负载有Ni(OH)₂的导电基底放入石英管加热中心，将石英管内部抽真空至0.1atm以下，再通入惰性气体使管内气压保持常压环境，重复“抽真空、通惰性气体”的过程3次，然后通入NH₃作为载气流；