[发明专利]一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用，该复合电催化剂生长于泡沫镍导电基底上，包括MoO_3‑x纳米棒以及生长于MoO_3‑x纳米棒表面的Fe₃N/Ni₃N纳米颗粒；制备方法包括以下步骤：(1)采用水热反应在泡沫镍上生长NiMoO₄纳米棒；在NiMoO₄纳米棒上沉积铁基氧化物，得镍钼铁氧化物前驱体/泡沫镍复合材料；(2)将镍钼铁氧化物前驱体/泡沫镍复合材料进行热氨化处理，得到多元金属氮化物异质结纳米棒阵列电催化剂。本发明通过在NiMoO₄纳米棒上沉积铁基氧化物、加热氨化处理，得到的异质结纳米棒阵列复合电催化剂在碱性海水等中表现出优异的OER和HER反应活性。

技术领域

本发明属于电催化材料技术领域，尤其涉及一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

对传统化石燃料的严重依赖给人类社会带来了迫在眉睫的能源和严重的环境问题。解决这一问题的一个很有前景的策略是电催化水裂解制氢，将电能储存在分子氢的化学键中。而且氢燃烧产物为水，无污染清洁，是未来可再生能源的重要组成部分。利用废热或可再生但间歇性的风能或太阳能发电亦可驱动水分解成，阴极析氢反应和阳极析氧反应。

无论酸性或碱性环境下，水的理论热力学分解电压均为1.23V。但实际上，需要比理论值高得多的电压，该差值称为过电位。因此，这两种反应都需要有效的电催化剂来降低过电位，电催化剂通过降低活化能来促进析氧反应(OER)或析氢反应(HER)缓慢的动力学，使在工业制氢上得到广泛应用。特别使双功能电催化剂，对两种反应都有活性，具有简化装置和降低成本的有点，更有利于实际应用。广泛用于实验室电解水研究的淡水在世界许多地方都是稀缺资源，如果大规模的电化学淡水分解将对重要的水资源造成沉重的压力。而海水是地球上最丰富的自然资源之一，占世界水资源总量的96.5％，几乎是取之不尽的资源。此外，电解海水有利于环境的净化。特别是对于干旱地区，还可以从海水中产生新鲜的饮用水。

因此，开发高效的海水电解系统用于大规模生产氢气是非常理想的，是可持续制氢和环境修复的革命性技术。然而，实现海水裂解仍具有三大挑战性。第一个挑战是由于海水中存在氯离子，会在阳极上发生氯的析氧反应(OER)与析氧反应构成竞争关系。而且碱性环境下的OER，氯将与OH^-反应生成次氯酸盐所需电压比阳极OER高约480mV驱动500和1000mA/cm²大电流密度。第二个挑战是海水本质上的低导电性会导致缓慢的HER动力学。第三个挑战是海水具有很强的腐蚀性，海水中的非无害离子、细菌、微生物和小颗粒的存在，以及覆盖在催化剂表面的不溶性沉淀物(如氢氧化镁和氢氧化钙)的形成，这些都会可能毒害OER和HER催化剂并破坏其长期稳定性。由于这些棘手问题，目前关于海水裂解的双功能电催化剂的研究很少。

因此，开发高性能、低成本和耐腐蚀强的双功能电催化剂用于大规模海水裂解具有重要意义。过渡金属氮化物(TMN)具有良好的耐腐蚀性能、导电性和机械强度，是电解海水裂解的理想材料。镍基材料是碱性电解槽中最常用的电催化剂。目前，基于镍、铁、钴等的金属氧化物表现出优异的电催化析氧性能。而基于镍、铁、钴等的金属合金在电催化析氢上具有优异的性能，如由于NiMo合金中的Ni位可以提供丰富的水解离中心，而Mo的加入可以优化合金表面的氢吸附，使NiMo合金具有优异的活性和稳定性，被广泛研究。而且近年来，有研究表明Ni₃N/Ni、NiMoN和Ni-Fe-Mo三元合金在碱性淡水裂解具有高效的催化活性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种多元金属氮化物异质结纳米棒阵列复合电催化剂及其制备方法和应用，本发明通过在NiMoO₄纳米棒上沉积铁基氧化物、加热氨化处理，得到的异质结纳米棒阵列复合电催化剂在碱性海水等中表现出优异的OER和HER反应活性。