[发明专利]一种镍铁合金/碳电催化材料、其制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种镍铁合金/碳电催化材料、其制备方法及其应用，属于新能源纳米材料合成及电化学技术领域。所述电催化材料为六方镍铁合金颗粒或立方镍铁合金颗粒负载在碳上的二维纳米片结构。所述制备方法利用低温等离子体处理Ni₃Fe‑LDH合成六方相镍铁合金/碳纳米片或立方相镍铁合金/碳纳米片。和现有技术相比，本发明制备方法工艺简单，所得催化材料活性高，稳定性好，能够用于电催化全解水领域，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明公开了一种镍铁合金/碳电催化材料、其制备方法及其应用，属于新能源纳米材料合成及电化学技术领域。

背景技术

化石燃料的濒临耗竭耗以及由此引发的众多环境问题迫使人类开发清洁和可持续的能源。具有高能量密度的氢气在实现碳中和和环境友好方面发挥着关键作用，被认为是一类理想的可再生能源。与传统的煤和天然气重整制氢路线相比，电化学水分解制氢是一种清洁可行的技术。然而，电催化析氢反应(HER)的实际应用仍然具有挑战性，这主要是由于四电子析氧反应(OER)动力学较慢造成的整个热力学过程的过电位较大。因此，开发高性能的水分解电催化剂势在必行。一般来说，贵金属材料Pt和IrO₂/RuO₂分别是用于HER和OER的基准催化剂，但高成本和极度稀缺限制了它们的实际可行性。科研人员专注于探索地球上储量丰富而高效的电催化剂，其中过渡金属基催化剂(如Fe、Co、Ni和Mo)已被证明是有前途的。尽管非贵金属基催化剂已经取得了很大的进展，但其催化性能在活性和稳定性方面还远远不够。

NiFe合金由于其低成本和固有的催化活性，是提升HER和OER性能的最有效催化剂之一。迄今为止，已通过形貌和电子结构调制等各种策略来提高其催化性能。此外，通过晶相的调控进而调整原子排列和电子结构，是一种有效的调节催化剂催化活性的手段。例如，Wang和同事证明了hcp Ni(NiFe)装饰的碳壳表现出比fcc对应物更高的OER性能，这来自于相应的MOFs(金属-有机框架)的高温热解。因此，实现对NiFe合金的晶体结构控制有望获得高效催化剂。然而，由于合成的挑战性，在温和条件下控制NiFe合金纳米催化剂的晶相并非易事。

因此，制备新型具有较高催化活性和良好循环稳定性的材料作为电化学催化全解水材料的研究是该领域具有挑战性的新课题。

发明内容

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种镍铁合金/碳电催化材料。该材料能够解决目前电催化全解水过电位高、催化活性低等难题。

本发明进一步的技术任务是提供上述铁合金/碳电催化材料的制备方法。

本发明更进一步的技术任务是提供上述铁合金/碳电催化材料的应用。

本发明的镍铁合金/碳电催化材料为六方镍铁合金颗粒或立方镍铁合金颗粒负载在碳上的二维纳米片结构。

本发明的镍铁合金/碳电催化材料的制备方法的特点是包括以下步骤：

低温等离子体处理Ni₃Fe-LDH经过原位拓扑还原子合成六方相镍铁合金/碳纳米片；

或者：低温等离子体处理Ni₃Fe-LDH合成立方相镍铁合金/碳纳米片。

作为优选，所述等离子体采用甲烷、乙烷、乙炔或乙烯。

作为优选，所述Ni₃Fe-LDH的制备包括：Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₂·9H₂O和尿素溶解在去离子水中，然后在100℃-200℃(特别优选为100-150℃)烘箱中加热10-15h(特别优选为11-13h)，冷却至室温后，经分离、纯化得到Ni₃Fe-LDH。