[发明专利]一种二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料及其制备方法和应用，所述电极材料是采用电沉积法将铁沉积在泡沫镍上，然后在高温下磷化制备得到。本发明提出的制备方法简单易行，原料成本低廉，制备的二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料，可高效催化电解水氧析出反应，有望降低电解水制氢设备关键材料的成本。

技术领域

本发明属于电解水催化材料领域，具体涉及一种二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

发展可再生能源制氢对于我国能源转型具有重要意义，电解水可将可再生能源转化为高能量密度的氢气。目前，电解水制氢的阴极和阳极反应普遍采用贵金属催化剂，储量少、成本高，实际应用受限。因此，开发高活性高稳定性的非贵金属催化剂对电解水制氢发展具有重要意义。

中国专利申请CN201810403811.4公开了一种镍磷化物、其制备方法及电解水制氢的方法，包括：a)将镍源化合物、磷源化合物和乙酸盐溶解于水中，得到溶解液；b)对所述溶解液进行电沉积处理，得到镍磷化物。

中国专利申请CN202011443702.9公开了一种金属磷化物电解水制氢催化剂及其制备方法和用途。制备方法包括(1)金属基底的预处理步骤，其包括将金属基底混合物在第一温度下混合反应；和(2)金属磷化物催化剂的制备步骤，其包括使预处理后的金属基底与磷源混合，在第二温度下混合反应，得到金属磷化物催化剂。

近年来，过渡金属磷化物因具有特的物理化学性质、可调的电子结构、低价格等优点，被认为是有前景替代贵金属的一类电解水氧析出催化剂，对其进行的研究也很多。但目前，金属磷化物作为电催化剂仍存在活性位点暴露不充分、反应物传质受阻等问题，限制了电解水氧析出性能的进一步提升。

发明内容

为了解决现有技术中存在的电解水制氢贵金属电极材料成本高、储量稀少等问题，本发明提供一种二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料及其制备方法和应用。本发明的制备方法以经过预处理后的泡沫镍为前体，采用电沉积法制备镍铁双金属材料，在此基础上，以红磷为磷源，采用固相合成法在高温条件下对镍铁双金属进行磷化，制备得到具有二维片层形貌的镍铁双金属磷化物。通过对反应温度和沉积电流密度进行优化，获得具有最优性能的镍铁双金属磷化物电极材料。本发明采用的制备方法简单易行，可控性强，原料成本低廉且储备丰富，制备得到的二维片层形貌的镍铁双金属磷化物电极材料具有高效的氧析出性能，可降低电解水的贵金属用量，解决电解水制氢材料成本高问题。

为了实现发明目的，本发明采用如下技术方案，一种二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料，该电极材料呈现规则排列的二维片层形貌，二维片层长约5-10 μm，二维片层厚度为2-5 nm，二维片层表面上分布着大量高度分散的镍磷化合物纳米颗粒。

在本发明的优选的实施方式中，该电极材料呈现致密的二维片层结构，二维片层表面分散有直径大小约为3 nm的镍磷化合物纳米颗粒。

本发明还保护所述的二维片层结构的镍铁双金属磷化物电极材料的制备方法，以电沉积法将铁沉积到泡沫镍基底，然后在惰性气氛下在高温下与红磷反应，获得二维片层结构的镍铁双金属磷化物电解水氧析出电极材料。

在本发明的优选的实施方式中，所述的制备方法包括如下步骤：

（1）将泡沫镍预先超声清洗、干燥后备用，然后称取一定质量的铁盐分散于去离子水中，超声5-15 min，配成一定浓度的铁盐溶液；

（2）将步骤（1）中预处理后泡沫镍作为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂片为对电极，配置的铁盐溶液为电解液，在三电极体系下，采用电化学工作站进行电沉积，在一定的电流密度下恒电流运行一定时间，沉积后经去离子水、乙醇润洗，获得镍铁双金属电极材料；