[发明专利]一种双金属磷化物电催化剂及其制备方法及其应用

说明书

本发明属于电催化剂领域，具体涉及一种高性能电化学分解水产氢的介孔双金属磷化物电催化剂的制备方法与应用。将通过水热反应合成的氢氧化物前驱体，进一步在低温磷化反应下得到Ni_xMn₁P多孔纳米片阵列电催化剂。该系列双金属磷化物具有较低的电荷转移电阻和析氢反应的反应势垒，在电催化析氢反应中具有优越的性能。同时该催化剂成本低廉，操作简便，工艺简单，催化性能优越，为该类材料在电催化领域提供了基础应用研究。

技术领域

本发明属于电催化剂领域，具体涉及一种高性能电化学分解水产氢的介孔双金属磷化物电催化剂的制备方法与应用。

技术背景

绿色能源以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为最理想的能源载体和储能方式。电解水制氢(hydrogen evolution reaction，HER)技术以其效率高、环境友好、产气纯度高以及能量波动适应性强等优点，在化学储能技术的发展中极具应用前景。Pt、Pd 等贵金属及其氧化物等对于电催化分解水具有优异的催化活性，但它的稀缺性和高成本限制了它的广泛应用。探索高效、成本低廉的HER电催化剂成为当务之急。

过渡金属磷化物M_xP(CoP、Co₂P、Ni₂P、Cu₃P、MoP等)磷原子进入过渡金属的晶格中而形成的一类间充化合物，因其具有类似零价金属特性、较高的化学稳定性以及良好的界面反应动力学，目前被广泛应用于Li离子电池制造、光电子器件以及HER电催化剂。其基本构筑单元为各向同性的晶体结构，结构易暴露出更多的表面活性位点，因此较金属氮化物、硫化物具有更好的催化活性。过渡金属磷化物中磷原子电负性大，在反应中能吸附质子从而提升析氢反应的反应速率；磷原子在反应过程中为H₂的脱附提供能量，从而防止反应由于强键合氢原子的高覆盖率而引起失活，因此增加磷原子百分比，可相应地增加电催化活性和稳定性。相对于单金属磷化物，双金属磷化物可发挥两种不同金属离子的协同作用，改变电催化剂电子结构，提供更多表面反应活性位点，从而提高催化剂的催化效率与稳定性。有相关文献报道，镍钴磷较磷化镍费米能级更低，这说明其中间态氢吸附能较低，反应易于进行。所以相对于单金属磷化物，双金属磷化物不仅具有更好的导电性，更有利于电子传输，还可进一步降低电荷转移的界面电阻和表面反应动力学能垒，因此电催化活性可得到进一步提高(Nano Lett.2016,16,7718-7725)。国内外学者已经在这方面开展了一些卓有成效的工作。例如，Wang等人基于泡沫镍合成了NiCoP纳米线电催化剂，该电催化剂10and100mA cm^-2析氢过电位分别达到43and 118mV，活性明显高于单一金属磷化物(ACSAppl.Mater.Interfaces,2016,8(50),34270-34279)。Sung等人用MOF修饰镍铁氢氧化物合成了双功能电催化剂镍铁磷纳米棒阵列，其OER过电位为217mV，HER 过电位为74mV(J.Mater.Chem.A,2017,5,2496-2503)。目前关于双金属磷化物电催化剂的研究还比较少，组成结构与电催化性能的构效关系以及结构的优化设计等关键科学与技术问题急需解决。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高性能电化学分解水产氢的双金属磷化物电催化剂。该发明制备的催化剂可以大大降低过电势和Tafel斜率，并且具有良好的导电性，可大幅度提高NiMn-LDH基催化剂分解水催化制氢效率。另以泡沫镍为基底原位合成的双金属磷化物，可以减小电极内阻，提高其导电能力，并可显著提高材料的催化活性。因此，以泡沫镍为基底材料，原位合成双金属磷化物，应用于全分解水，具有较好的应用前景。

本发明技术方案如下：

(1)清洗泡沫镍，备用；

将商品泡沫镍依次用丙酮、盐酸、乙醇和去离子水超声清洗后，干燥得干净的泡沫镍；