[发明专利]一种多层级金属磷化物及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种多层级金属磷化物及其制备方法和应用。该多层级金属磷化物，包括金属泡沫骨架和金属泡沫骨架表面覆盖的金属磷化物；金属泡沫骨架间分布有平均孔径为50～500μm的贯穿大孔，金属泡沫骨架表面分布有10～100μm的大孔；所述金属磷化物为磷化钴或铁钴双金属磷化物；所述金属磷化物呈类似编织袋的片线结构。本发明提供的多层级金属磷化物在碱性条件下同时具有优秀的催化析氢反应和催化析氧反应的性能，从而可以作为双功能电催化剂，同时做为阴极和阳极催化电化学水分解反应；且对析氢反应、析氧反应和电化学水分解均表现出良好的稳定性。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，具体涉及一种多层级金属磷化物及其制备方法和应用。

技术背景

在过去的一个世纪里，能源的大量消耗为人类带来了大量的财富，促进了人口的发展。其中80％的能源来自于传统化石能源(例如：煤、石油、天然气等)，人类对化石能源的严重依赖导致化石能源逐渐枯竭，同时产生了大量环境问题(例如：温室效应、酸雨、空气污染等)。因此寻找清洁、可再生、可持续的新能源代替传统化石能源成了全人类必须共同面对的挑战。氢能是一种重要的且具有发展前景的清洁能源，在目前发展起来的清洁能源(例如：太阳能、风能、潮汐能等)中是关注度最高的新能源之一。氢能具有储量丰富、来源广泛、能量密度高、燃烧产物无污染等优点，可以直接用于燃料电池，将化学能转化为电能。目前，大约96％的氢气年产量主要通过化石能源加工制得，比如甲烷蒸汽重整、煤气化等，该过程不仅产生大量的二氧化碳，而且还消耗不可再生的化石燃料。相比之下，电催化分解水制氢代表了一种清洁，可持续的氢气生产方法。

电催化分解水包括了阴极析氢反应和阳极析氧反应，理论上电催化分解水仅需要1.23V的电位，但是由于两电极的极化反应、溶液电阻、欧姆电阻的存在，使得实际加载在电解池两端的电位达到1.8～2V。为了降低电解水的外加电能，提高电解水的效率，除了优化电池结构降低欧姆电阻外，还需要研究高性能的电催化剂来降低两电极极化反应所带来的过电位。目前贵金属催化剂仍然是最优异的电催化剂材料(最好的析氢催化剂是铂，最好的析氧催化剂是二氧化钌和铱)，但是由于其价格昂贵，丰度低的特点无法长期广泛应用。因此需要研发高性能、低成本的非贵金属催化剂，目前研究较多的过渡金属磷化物具有较好的析氢催化活性(Du H T,Kong R M,Guo X X,et al.Recent progress in transitionmetal phosphides with enhanced electrocatalysis for hydrogen evolution[J].Nanoscale,2018,10(46):21617-21624.)。由于析氢反应和析氧反应的反应机理不同，因此在同一种电解液中对析氢反应有着优异的催化活性的催化剂，对析氧反应的催化活性可能较低(Yu J,Le T A,Tran N Q,et al.EarthAbundant Transition-Metal-BasedBifunctional Electrocatalysts for Overall Water Splitting in Alkaline Media[J].Chemistry-A European Journal,2020,26(29):6423-6436.)。因此开发一种在同一电解质中对析氢反应和析氧反应均具有良好催化活性的双功能电催化剂仍是一项挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中贵金属价格昂贵，可替代的具有良好催化活性的双功能电催化剂的缺乏的缺陷或不足，提供一种多层级金属磷化物。本发明提供的多层级金属磷化物具有多层级结构，金属磷化物生长在金属泡沫骨架上；金属泡沫骨架间的贯穿大孔有利于电解质的传递和气体扩散，而金属泡沫骨架上的大孔及表面的呈类似编织袋的片线结构有利于暴露更多的活性位点，提高催化性能，降低电解水的过电位。该具有特殊“编织袋”结构的多层级金属磷化物可直接用作工作电极，用于碱性条件(pH大于7)的析氢反应和析氧反应；也可以直接用作阴极和阳极材料进行电催化全解水。对析氢反应、析氧反应和全解水均表现出优异的催化活性和良好的稳定性。

本发明的另一目的在于提供上述多层级金属磷化物的制备方法。