[发明专利]一种非对称电解池用电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非对称电解池用Fe‑NiS@NF||Fe‑NiO/NiS@NF电极材料及其制备方法，将将预处理过的泡沫镍铁(NF)放入管式炉中，再将升华硫置于入管式炉载气上游，在氩气气氛中，加热至250‑500℃并保温1‑4h，得到Fe掺杂NiS@NF电极材料；将预处理过的泡沫镍放入管式炉中，在空气气氛中，加热至200‑600℃并保温1‑4h，得到Fe掺杂NiO@NF电极材料，再将升华硫置于入管式炉载气上游，在氩气气流中再次加热到250‑500℃并保温反应1‑4h进行硫化，得到Fe掺杂NiO/NiS@NF电极材料；将得到的Fe掺杂NiS@NF电极材料作为阴极，Fe掺杂NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建Fe‑NiS@NF||Fe‑NiO/NiS@NF非对称电解池，在500mA cm^‑2大电流密度下全解水催化性能和工作稳定性高。

技术领域

本发明属于电解池电极材料领域，涉及一种非对称电解池用Fe-NiS@NF||Fe-NiO/NiS@NF电极材料及其制备方法，具体地说，是涉及一种用于构建非对称电解池的Fe掺杂NiS@NF阴极材料和Fe掺杂NiO/NiS@NF阳极材料及其制备方法。

背景技术

电催化分解水制氢被认为是最有前景的能源转换技术来应对当前能源危机和环境问题。它涉及两个半反应：阴极的产氢反应(HER)和阳极的产氧反应(OER)，这两个反应在驱动水分解方面起着关键的作用。但由于HER和OER缓慢的动力学需要高的过电位分解水，而阻碍了其实际应用，特别是难以在碱性电解质条件下推广应用。贵金属基电催化剂的催化活性高，被认为是理想的催化剂，但由于其成本高，储量有限而阻碍了其大规模应用。近年来，人们致力于高效稳定的低成本的非贵金属催化剂的开发。

过渡金属氧化物和氢氧化物，特别是由于其丰富的储量和优异的催化性能，被认为是取代贵金属最好的催化剂。但是，NiFe氧化物催化剂很难同时表现出高的产氢和产氧性能，因为很难同时调节氢、氧中间体之间的相互作用以实现高效全解水。由于其缓慢的水分解动力学，这类催化剂依然展现出较差的HER活性。其根本原因还是由于在HER基元反应中，NiFe氧化物中金属离子中心对氢键的结合能非常弱，导致动力学受到很大的限制。因此，探索和设计简单的调控策略来促进NiFe基材料的HER性能来适应电解水技术的需求显得更有意义。

同时，镍铁基氧化物有着半导体的性质，电子传输较为缓慢，很难满足在大电流密度下保持高效的电荷传输效率。另外，电催化反应是一种材料表面氧化还原反应，随着所施加电位的增大，材料表面的吸附和脱附状态发生变化，甚至随着电流密度的不断增大，在固液界面的反应过程中，催化反应和气体释放达到饱和，使得催化反应动力学受到更大的限制。因此，需要探索和寻求简单的方法来促进OER反应动力学特征，特别是在大电流密度下，实现高效稳定的催化性能来满足工业化电解水技术的需求。

除了效率和稳定性的要求外，催化剂的合成方法、能耗和经济性也应满足实际工业应用。

发明内容：

本发明针对现有技术中，电解池在10mA cm^-2的电流密度下所需槽压高，在500mAcm^-2大电流密度下催化性能和工作稳定性差、成本高等缺点，提出了一种用于构建非对称电解池的Fe-NiS@NF||NiS/NiO@NF电极材料及其制备方法，其特征在于，通过对泡沫镍铁的原位硫化处理，使硫化、Fe掺杂一步完成，得到Fe掺杂的NiS@NF电极材料(Fe-NiS@NF)，通过对泡沫镍铁先适度的氧化处理，再进行硫化处理，使NiO量子点均匀分散在NiS纳米颗粒的表面，得到Fe掺杂的NiO/NiS@NF电极材料(Fe-NiO/NiS@NF)，将Fe-NiS@NF电极材料作为阴极，Fe-NiO/NiS@NF电极材料作为阳极，构建非对称电解池，全解水制氢效率高，所述电极材料的制备方法包括下述步骤：

(1)将泡沫镍铁裁剪成面积1cm²大小，在超声下分别用丙酮和乙醇洗涤，然后在室温下干燥；