[发明专利]低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列及其制备方法和应用

说明书

本发明属于纳米催化剂和电化学能源转化技术领域，具体涉及低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列及其制备方法和应用，其可以作为析氧反应、尿素氧化反应催化剂并应用于电化学能源转化，其为羟基氧化镍纳米片生长在金属泡沫镍上，羟基氧化镍纳米片由低于5nm的超小羟基氧化镍纳米颗粒组装而成，纳米片呈现低结晶性、分级特点。本发明的有益效果是：本发明通过构筑低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列，有效增加了催化活性物种数量，提高了催化剂的质量比活性。将低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列应用到碱性析氧反应和尿素氧化反应中，均表现出高的质量比活性催化性能。

技术领域

本发明属于纳米催化剂和电化学能源转化技术领域，具体涉及低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列及其制备方法和应用，其可以作为析氧反应、尿素氧化反应催化剂并应用于电化学能源转化。

背景技术

析氧反应(OER)和尿素氧化反应(UOR)是电化学能量储存与转化中的重要反应。由于该催化反应过程通常是复杂的多电子转移反应，因而需要较高过电势以驱动反应。开发高效、稳定的非贵金属基OER和UOR催化剂具有重要意义且具有挑战性。过渡金属镍基催化剂，因其具有替代商业化IrO₂、RuO₂催化剂的潜力而被广泛研究。然而，对于较大尺寸或块状尺寸的镍基催化剂，通常因电氧化而发生表面重构，且这些重构的物种被认为是真正的催化活性物种。比如，Stern等人报道了50nm Ni₂P纳米颗粒应用于碱性OER，发现OER后的催化剂展现出Ni₂P/NiO_x核壳异质结构。该结构中，10nm厚的NiO_x致密层阻止了Ni₂P核与电解液的直接接触。Walter等人发现在碱性OER催化时，腐蚀反应仅在Mn₃N₂表面进行，且形成了8nm厚的MnO_x壳层。基于这些研究结果，Jin和Wygant等人撰文提倡，这些原始的不稳定的催化剂，如金属硫属化物、碳化物和氮化物等，应该被称为前催化剂。重构的催化剂通常展现出核壳结构，这样会使得内部组分得到不充分利用，进而导致少的催化活性物种和低的质量比活性。

最近，阴离子的刻蚀效应被报道能引诱前催化剂的结构自重构，重构后的催化剂展现出显著提升的OER活性。尽管如此，所提出的策略被限制于含Cl和F的化合物。由于有限的重构深度，将前催化剂某个维度的尺寸降低至10nm以下(如超小纳米颗粒、超细纳米线、超薄纳米片)，将可能实现具有更多催化活性物种的全重构催化剂。然而，由于重构形成的致密表层会阻碍前催化剂与电解液的接触，实现基于块状材料的深度重构具有巨大挑战。尽管锂化引诱的电极极化会造成电极材料粉碎进而导致电池性能下降，但锂化引诱的材料纳米化却能被用来制备超小纳米材料。前期工作已经报道锂化调控在电催化中的应用，但锂化策略用于催化剂重构及其机制方面还未见报道。因此，利用锂化策略将是一种有效方法制备一系列深度重构催化剂并用于各种电催化，实现高质量比活性性能。

发明内容

本发明针对上述现有的技术问题提供一种低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列及其制备方法，该制备方法工艺简单、符合绿色化学要求。得到的低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列材料，在碱性析氧反应和尿素氧化反应中具有高质量比活性催化性能。

本发明针对上述技术问题采用的技术方案为：低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列，其为羟基氧化镍纳米片生长在金属泡沫镍上，羟基氧化镍纳米片由低于5nm的超小羟基氧化镍纳米颗粒组装而成，纳米片呈现低结晶性、分级特点。

所述的低结晶分级羟基氧化镍纳米片阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)称取一定量的Ni(NO₃)₂·6H₂O、NH₄F和CO(NH₂)₂溶于去离子水中，搅拌得到澄清透明的混合溶液；