[发明专利]一种过渡金属磷化物纳米片的制备方法及其所得纳米片和应用

说明书

本发明公开了一种过渡金属磷化物纳米片的制备方法及其所得纳米片和应用，该制备方法包括以下步骤：1)将过渡金属盐和pH调节剂溶于水中，在热水浴中反应，得到过渡金属氢氧化物纳米片；2)将所得过渡金属氢氧化物纳米片与次磷酸钠在惰性气氛中，程序升温至300～400℃后，保温10～60min，即得到所述过渡金属磷化物纳米片。相对于现有技术，本发明方法操作简单，易于规模化生产，而且制得的纳米片具有优化的表面电子结构、活性位点多、导电性好、催化活性高等优点。

技术领域

本发明涉及一种过渡金属磷化物纳米片的制备方法及其所得纳米片和应用，属于电解水催化剂技术领域。

背景技术

近年来，传统化石燃料过度消耗以及能源需求的日益增长迫使人们探索新型能源来代替传统化石燃料。氢能因为其能量密度高、储量丰富以及环境友好受到人们的广泛关注。在多种制氢方法中，电解水制氢操作简单且产物纯净，同时阳极产生的氧气具有多种用途。目前，应用于电解水制氢最佳的催化剂为Pt族贵金属催化剂，但是其价格昂贵、储量有限且动力学缓慢，从而限制了其规模化使用，从长远来看，开发其它更为低廉、高效的催化剂十分重要。

面对这种问题，过渡金属(Co、Ni、Fe)磷化物被广泛研究并应用于电解水反应中。目前，多种形貌的过渡金属(Co、Ni、Fe)磷化物被制备出来，例如纳米棒、纳米线、纳米片等。在已经报道的多种结构中，纳米片具有更大的比表面积，会暴露出更多的活性位点，有利于电子传输，从而提高催化剂催化性能。此外，过渡金属(Co、Ni、Fe)磷化物纳米片磷化物所具有的独特组成，会改变催化剂电子结构，从而有利于活性物种吸附，进一步提高催化活性。但是，制备出的过渡金属(Co、Ni、Fe)磷化物纳米片并将其应用于电解水中仍具有很大的挑战。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种过渡金属磷化物纳米片的制备方法及其所得纳米片和应用。该方法操作简单，易于规模化生产，而且制得的纳米片具有优化的表面电子结构、活性位点多、导电性好、催化活性高等优点。

技术方案：为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种过渡金属磷化物纳米片的制备方法，包括以下步骤：

1)将过渡金属盐和pH调节剂溶于水中，在热水浴中反应，得到过渡金属氢氧化物纳米片；

2)将所得过渡金属氢氧化物纳米片与次磷酸钠在惰性气氛中，程序升温至300～400℃后，保温10～60min，即得到所述过渡金属磷化物纳米片。

所述过渡金属盐包括氯化钴、氯化镍和氯化铁中的至少一种。

所述pH调节剂为六亚甲基四胺。

步骤1)中所述热水浴温度为85-95℃。

步骤2)中所述过渡金属氢氧化物纳米片与次磷酸钠的质量比为1:(5～20)。

步骤2)中所述程序升温的升温速率为2～10℃/min。

上述制备方法所制得的过渡金属磷化物纳米片，其能够作为电解水催化剂应用。

本发明的原理在于：以过渡金属(Co、Ni、Fe)氯化盐为金属源，利用六亚甲基四胺水解调节溶液pH，生成过渡金属(Co、Ni、Fe)氢氧化物纳米片，通过对其进行低温磷化制备过渡金属(Co、Ni、Fe)磷化物纳米片。该催化剂为二维纳米片，形状规整，为磷化物。此外，由于氢氧化物前驱体中存在氧元素，所制备的过渡金属磷化物中还有氧的存在，由于它们之间的协同作用，所得到的催化剂具有较高的电催化活性和稳定性。

本发明所制备的过渡金属(Co、Ni、Fe)磷化物纳米片，具有以下几种优势：

二维纳米片具有较大的比表面积可以提供更多的活性位点，片状结构有利于电解质的传输与扩散，空间上的限域效应有利于电子传输；