[发明专利]三维分级FeP纳米片析氢电催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三维分级FeP纳米片析氢电催化材料及其制备方法和应用，属于电催化析氢领域。本发明首先采用交流电压剥离铁丝制备三维纳米片铁氧化物，作为前驱体；再以次亚磷酸钠晶体为磷源，在石英管式炉中，一步热处理反应制备三维FeP纳米片析氢电催化材料。本发明提供的方法中三维纳米片铁氧化物制备工艺简单、绿色，产率高；采用简便、温和的一步低温磷化法制备三维FeP纳米片析氢电催化材料，成本低、重复性高、易于大规模合成。三维FeP纳米片材料用于电催化析氢反应时表现出优异的催化性能，得到还原电流密度10mA·cm^–2时，仅需测试过电位88mV，而塔菲尔斜率仅为47.7mV·dec^–1；具有良好的电催化稳定性。

技术领域

本发明属于电催化析氢领域，具体涉及一种三维分级FeP纳米片析氢电催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会经济的持续发展，能源消耗量呈跨越式增加。目前，我国的能源消耗仍以利用不可再生的化石燃料为主，同时也带来了严重的环境污染和温室效应。为了应对化石燃料的日趋枯竭及其带来的环境问题，寻找一种环境友好、可再生的能源生产模式迫在眉睫。

作为最清洁的能源载体，氢气还拥有高能量密度、可再生的特点，可作为一种替代化石燃料的新型燃料。由于具有设备简单、技术相对成熟、产物纯度高和过程无污染等优势，电解水制氢气被认为是一种理想的可持续产能方式。而电解水工业存在的一个巨大瓶颈，即电解电极的析氢过电位过高造成电能消耗大。因此，开发能够有效降低阴极析氢过电位的高活性催化剂，成为各国科研工作者目前面临的挑战和紧急任务。

目前，对于析氢反应过程，铂族贵金属具有最佳的电催化活性，但铂族贵金属在地球上存储量有限，价格十分昂贵，且在反应过程中容易流失，不利于实现大规模的推广。因此，寻找高效、地球上资源丰富的元素替代铂族金属来制备廉价、耐用的非铂析氢催化材料对推动电催化制氢技术发展是至关重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维磷化铁纳米片材料及其制备方法和应用。

本发明提供的一种三维磷化铁纳米片材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)以铁质材料为电极，浸入NaOH水溶液中，在所述的电极上施加交流电压，得到含有红棕色悬浮物的水溶液；

(2)分离出含有红棕色悬浮物的水溶液中的固态物质，洗涤并干燥，得到三维氧化铁纳米片；

(3)将三维氧化铁纳米片和NaH₂PO₂·H₂O晶体粉末分别放在管式炉内的两个分离位置，其中NaH₂PO₂·H₂O晶体粉末处于上游，以惰性气体(例如氩气)为载气，在管式炉的程序设定下进行加热磷化反应，得到黑色的三维磷化铁纳米片材料。

优选的，所述的铁质材料为铁丝。

优选的，所述的NaOH水溶液的浓度为2～4mol·L^–1。

优选的，所述的交流电压值为7～10V，施加交流电压的时间为1h。

优选的，所述的三维氧化铁纳米片和NaH₂PO₂·H₂O晶体粉末的质量比为1:10。

优选的，所述的管式炉的程序设定参数为：以2℃·min^–1的升温速率从室温升至250～350℃，然后保持2～3小时，最终自然冷却。

本发明提供的一种三维磷化铁纳米片材料，采用上述方法制备得到。该三维磷化铁纳米片材料可以作为电催化剂，用于电分解水析氢反应。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：