[发明专利]用于电解水的超亲水超疏气铁/钴掺杂镍基氮化物三维分级一体化电极及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于电解水的超亲水超疏气铁/钴掺杂镍基氮化物三维分级一体化电极及其制备方法，首先在盐酸中对泡沫镍进行超声处理，去除泡沫镍表面的氧化物，然后在泡沫镍上利用水热法形成Fe‑Ni(OH)₂/NF或Co‑Ni(OH)₂/NF，最后经过氨气氮化处理形成超亲水、超疏气三维层次化Ni₃N/FeNi₃N/NF或NiCoN/NF电极。以泡沫镍为集流体，利用两步制备了具有高比表面积的纳米片阵列，三维分级一体化结构使活性位点暴露程度高，提高了催化材料的原子利用率。

技术领域

本发明属于电解水制氢储能技术领域，具体涉及一种用于电解水的超亲水超疏气铁/钴掺杂镍基氮化物三维分级一体化电极及其制备方法。

背景技术

近几年随着巴黎气候协定的签署，化石燃料的使用越来越受限制，能源枯竭和环境污染的代价越来越大，因此人们对发展可再生的清洁能源越来越迫切。在众多新型能源中，氢能是化石燃料最有前景的替代品。氢能能量密度大，转化率高、可持续性输出能量，能够显著减少人类对化石燃料的依赖。由于水资源的廉价易得，电解水制氢成为目前研究者关注的重点。在电解水制氢中，发生在阴极上的析氢反应(HER)是最为重要的催化反应之一，然而析氢反应对应的过电位要求使用铂基催化材料来改善其反应动力学。由于贵金属电催化材料价格的高昂和产量的稀缺，严重阻碍了电解水制氢气的广泛应用。因此，电解水制氢的广泛应用有赖于低成本、高性能催化剂的开发。

在进行催化反应时气-液-固三相接触，电极材料表面三相界面处电解液的润湿能力以及气泡的释放速率显著影响催化剂的活性。若材料对气体有很强的附着力，气体难以脱离并且阻碍电解液的扩散，会导致活性位点失效。研究表明，用在平坦基底上构建分级阵列结构有利于电解液快速浸润、气体的快速脱附，从而实现高效的物质传输，提高了电极材料的传质效率，在催化活性方面起着关键作用。分级结构由于其独特的高表面积的结构优势，为电化学过程中的质量和电荷传输提供了有效的离子扩散途径，引起了人们的广泛关注。并且此外，通过杂原子掺杂、异质结构来调整电子结构能进一步提高催化剂的催化活性。本文提出了一种利用水热法和气相沉积两步法制备超亲水、超疏气铁/钴掺杂镍基氮化物三维分级一体化电极的方法并将其应用于电解水产氢的方法。

发明内容

本发明的目的在于提升应用于电解水的电解槽电极材料的性能，通过利用水热、气相沉积两步使泡沫镍电极原位生长催化材料形成三维分级结构，并将其应用于电解水制氢工业。解决了用于电解水的传统自支撑体电极材料(泡沫镍)出现的高消耗低输出、低传质效率和低稳定性等难题。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种用于电解水的超亲水超疏气铁/钴掺杂镍基氮化物三维分级一体化电极的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)泡沫镍(NF)的预处理：将泡沫镍置于HCl溶液中，超声处理去除表面氧化物，得到NF电极；

(2)氢氧化镍纳米片阵列的生长：将步骤(1)得到的电极NF，浸泡于稀 HCl溶液中，加入Fe(NO₃)₃·9H₂O或Co(NO₃)₃·9H₂O形成混合溶液，将混合溶液转移至反应釜中100℃，反应20h，用水洗涤，静置干燥，得到铁掺杂镍基氢氧化物纳米片阵列Fe-Ni(OH)₂/NF或钴掺杂镍基氢氧化物纳米片阵列 Co-Ni(OH)₂/NF；

(3)超薄纳米片的制备：已制备好的Fe-Ni(OH)₂/NF或Co-Ni(OH)₂/NF置于管式炉中，通入NH₃，并且使NH₃气速稳定在10-30mL min^-1，以10℃min^-1加热至350-400℃，保持60min，得到超薄纳米片Ni₃N/FeNi₃N/NF或NiCoN/NF。