[发明专利]一种泡沫合金基铁掺杂NiSe微球电催化材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种泡沫铁镍合金上原位反应生成的三维多孔铁掺杂硒化镍微球电催化析氧复合材料及制备方法，具体包括以下步骤：（1）对泡沫FeNi强酸性稀溶液清洗后再分别用去离子水、丙酮和无水乙醇超声清洗干燥后准确称量；（2）按硒与泡沫FeNi重量比为(0.01‑0.2):1称取硒粉，超声分散在胺类、低分子蜡类和去离子水的混合溶液中；（3）将步骤（1）获得的泡沫FeNi与步骤（2）的混合溶液一起转移至高压反应釜中，进行溶剂热反应，冷却、清洗并干燥；（4）将步骤（3）获得的产品置于管式炉中在气体保护下程序升温焙烧、并在含还原性混合保护气体中保温，得三维多孔铁掺杂硒化镍微球电催化析氧复合材料。

技术领域

本发明涉及一种泡沫铁镍合金原位水热硒化表面制备含Fe的NiSe微球析氧材料及制备方法，具体涉及用泡沫铁镍作镍源，硒粉作硒源，在一定水热条件下，在所需气氛下程序升温焙烧后制备后获得，所制备的材料表现出优异的电催化分解水产氧性能。

背景技术

能源作为一种战略资源，受到世界各国的高度关注。伴随着以煤、石油、天然气为代表的传统化石能源所带来的全球气候变化以及环境污染问题日益凸显，人们对开发环境友好新型能源来替代化石燃料的急迫性急剧增强，越来越多的科学家已经投身于新型环保能源的基础研究和应用开发中。由于化石燃料的快速消耗造成了环境污染和能源危机，开发清洁可再生能源越来越受到人们的重视。在各种新型能源当中，氢能源是最清洁、环保、转化效率高的而作为首选。近年来，随着储氢技术的快速发展，氢能源受到了越来越多的关注。氢是宇宙中最丰富的元素，然而，除大气中含有少量游离态的氢以外，绝大部分的氢都是以化合态的形式，主要是以水形式存在。要将“氢经济”的宏伟构想变为现实，必须解决氢气的生产、运输、储存以及转化为其他能源（电能）的效率等一系列问题。由此可见，工业化大规模、高效、可持续地生产氢气是开发和利用氢能源的第一步。

作为一种无碳、丰富的能源，氢气在电催化水分解过程中大量产生。除了阴极析氢（HER）外，阳极析氧反应（OER）因其反应动力学缓慢而成为电催化水分解的瓶颈，需要较高的过电位。设计高性能OER催化剂为降低过电位、提高整体效率提供了一条可行的途径。虽然贵金属氧化物，包括IrO₂和RuO₂，被认为是作为最有效的OER基准催化剂，其高成本和稀缺性阻碍了其大规模应用。

在过去的几十年里，人们一直在努力探索地球丰富的高性能OER催化剂。地球丰富的过渡金属（如铁、钴、铜，特别是镍）及其相关化合物，包括氧化物、氢氧化物、硫化物、硒化物、磷化物等，已被证明是有希望替代贵金属的替代品。最近有报道称，Fe掺杂或掺入可以大大提高镍氧化物或氢氧化物的电催化性能。铁的掺杂或掺入以及镍相关活性中心电子结构的改变都会产生更多的催化活性中心。此外，Fe的掺杂或掺入也能提高Fe和Ni金属间的导电性和协同效应。受此策略的启发，一些Fe-Ni基硫化物、磷化物和硒化物被设计和报道用于电催化水分解。通常，各种纳米结构的金属硒化物可以通过不同的方法制备出具有高活性的表面，这有助于提高OER的活性。将这些活性催化剂与三维（3D）多孔导电集流体（Ni泡沫，碳纤维布〕等）耦合以构建集成电极，从而进一步改善OER活性。硒化镍铁在这些基底上的支撑通常通过两个步骤来实现，包括水热处理外部添加的铁和镍离子以在基底上生长铁-镍氢氧化物前驱体，它们随后被水热或溶剂热硒化形成Fe-Ni硒化物。除了Ni泡沫外，Fe-Ni合金泡沫也出现了。对OER电催化剂的良好支撑和电流收集。然而，据我们所知，很少有研究报道镍-铁硒化物在Fe-Ni合金泡沫上。

三维泡沫金属载体上的金属硒化物被认为是一种很有前途的析氧反应电催化剂。通过简单的水热法或其他反应，可制备出铁镍泡沫与硒粉直接反应的多孔铁掺杂硒化镍微球。铁镍合金泡沫既不添加外源Fe和Ni金属离子，可作为基体和Fe和Ni源，而硒粉直接用作硒源而不需形成任何前驱体。所获得的具有三维结构材料作为析氧阳极时，在碱性介质（1.0M KOH）中对OER表现出良好的电催化性能，其过电位较低， tafel斜率小。在一定的过电位条件下，经24小时的稳定性试验时，析氧性能无明显变化，表明其具有长期稳定的电催化活性。本思路提出的简便合成策略，可方便地应用于制备不同组成的泡沫硒化物，以构建高效的电催化剂。