[发明专利]一种高活性麦穗状复合金属材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种高活性麦穗状复合金属材料及其制备方法和应用；该制备方法包括以下步骤：a)将镍源、钴源和尿素在溶剂存在下混合，得到混合溶液；b)将泡沫镍浸没在步骤a)得到的混合溶液中，进行水热反应，得到碳酸氢氧化镍钴；c)将步骤b)得到的碳酸氢氧化镍钴干燥后，转移至硫酸亚铁水溶液中，进行水浴反应，得到高活性麦穗状复合金属材料。与现有技术相比，该制备方法采用“水热‑回流”法制备，实现了其在泡沫镍基底上的原位生长；得到的高活性麦穗状复合金属材料由于Fe‑Co‑Ni的相互作用调控了材料的表面电子结构，提高了界面电子转移性能，同时材料中的碳酸根离子增强了材料表面的润湿性，从而显著提高了其界面水分子结合和电催化活性。

技术领域

本发明涉及电化学材料技术领域，更具体地说，是涉及一种高活性麦穗状复合金属材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于化石能源的大量消耗和全球气候变化不断加剧，绿色低碳的可再生能源生产和存储技术已成为当前能源领域的重大需求和未来的重要发展方向。其中，电催化析氧(OER)和析氢(HER)是电能存储和转化过程中最关键的两个反应。因此，如何设计高效、稳定的电催化剂来提高能量转化效率并降低能量损耗，一直是电化学能源技术领域的关键挑战和重要研究方向。

在电催化OER方面，目前主要采用的催化剂包括贵金属钌氧化物(RuO_x)、铱氧化物(IrO_x)等具有价格昂贵、稳定性差等缺点，使其应用范围受到限制。近年来，基于钴(Co)、锰(Mn)、铁(Fe)、钼(Mo)等过渡金属的碳酸氢氧化物(CH)由于其来源广泛、价格低廉、电化学性质灵活可调以及稳定性更高等优点引起了研究者广泛关注，并被开始尝试应用于OER体系。例如，研究者制备了纳米花状的CoMn-CH、垂直阵列型纳米片状的FeCo-CH、核壳结构微球的FeCoMo-CH等复合材料并与泡沫镍基底共同构成OER电极；但这些材料仍普遍存在内阻较大(10欧姆)和OER过电位较高(约300mV@30mA cm^-2)的问题。此外，在已有研究中，通常是在较低操作电流(100mA cm^-2)条件下对这类催化剂的性能测试进行测试，因此其在大电流下长期运行性能未知。现有的过渡金属基HER催化剂也存在类似的问题。考虑到实际电化学体系中电流通常大于200mA cm^-2、反应时间长达数月、以及在大尺寸反应器中能量损耗往往更高，亟须开发能在大电流条件下维持高效、长时间稳定运行的电催化剂。

发明内容

针对现有OER、HER催化剂普遍存在的成本高、稳定性差或者内阻大、过电位高等缺点，本发明开发了一种具有独特麦穗状结构的碳酸氢氧化镍钴铁复合材料，提出了实现该材料合成并原位生长于泡沫镍基底的制备方法，并将其分别用作OER和HER电催化剂实现了在大电流条件下的长时间高效、稳定运行；该新材料有望应用于各种电能存储和转化体系。

本发明提供了一种高活性麦穗状复合金属材料的制备方法，包括以下步骤：

a)将镍源、钴源和尿素在溶剂存在下混合，得到混合溶液；

b)将泡沫镍浸没在步骤a)得到的混合溶液中，进行水热反应，得到碳酸氢氧化镍钴；

c)将步骤b)得到的碳酸氢氧化镍钴干燥后，转移至硫酸亚铁水溶液中，进行水浴反应，得到高活性麦穗状复合金属材料。

优选的，步骤a)中所述镍源为六水合硝酸镍，所述钴源为六水和硝酸钴，所述溶剂为体积比为(5～6)：1的水和乙醇的混合溶液。

优选的，步骤a)中所述镍源、钴源和尿素的摩尔比为1：1：(5～60)。

优选的，步骤a)中所述混合的过程具体为：

将镍源、钴源和尿素溶解在溶剂中，在400rpm～600rpm转速下搅拌3min～8min，得到混合溶液。

优选的，步骤b)中所述将泡沫镍浸没在步骤a)得到的混合溶液前，还包括：