【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本公開涉及催化劑制備，具體地，涉及一種自支撐雙功能的電催化材料及其制備方法與應用。
技術介紹
1、開發(fā)清潔的可再生能源是解決全球變暖和化石燃料日益減少問題的有效方式之一，將太陽能和風能轉化為可運輸、可儲存的化學燃料被認為是極具可行性的方案。氫氣具有高重量能量密度、高豐度和清潔無污染的優(yōu)勢，是一種可持續(xù)能源的優(yōu)質載體，而水分解則是輸出高純度氫氣的重要制氫方式。為了克服水分解反應的高勢壘，需要對析氫反應(her)和析氧反應(oer)半反應的電催化劑進行設計優(yōu)化。貴金屬對水分解具有極高的活性，但其稀缺性仍極大地阻礙了它們的規(guī)模化應用。因此，為her和oer開發(fā)儲量豐富、價格低廉、高效穩(wěn)定的催化劑則非常有意義，具有良好的市場前景。
2、過渡金屬是在堿性介質中催化水分解應用最廣泛的催化劑之一。納米金屬單質由于尺寸以及表面電子結構等問題導致了其電化學活性及穩(wěn)定性較差，進一步限制了它們在整體水分解中的應用。可以通過合金、包覆或復合對其活性位性質結構進行調整來提升性能。例如，ho等(nano?energy,2016,27,247-254)報道了鎳鉬合金納米材料在析氫反應的應用，該催化劑具有很好的her催化活性，但是制備過程使用高溫下20％濃度的氫氣，存在較大的安全隱患。xv等(adv.mater.2017,29,1605957)報道了一種氮摻雜碳包覆鎳納米顆粒作為電解水催化劑，但800℃下高溫碳化制備過程帶來高能源消耗，并且該材料等析氫過電位較大；zhou等(chem.eng.j.2020,394,124977)報道了一種基于氮摻雜
技術實現(xiàn)思路
1、本公開的目的是提供一種自支撐雙功能的電催化材料及其制備方法與應用，該電催化材料同時具備高催化活性與高穩(wěn)定性的優(yōu)點，且該電催化材料具有雙功能性，可作為析氫電極與析氧電極。
2、為了實現(xiàn)上述目的，本公開第一方面提供一種自支撐雙功能的電催化材料，所述電催化材料包括三維復合材料，所述三維復合材料包含三維ni納米骨架和包覆在所述三維ni納米骨架上的nimofe納米合金層。
3、可選地，所述電催化材料的bet比表面積為2.1～2.9m2/g，優(yōu)選為2.3～2.7m2/g；在所述電催化材料的xrd圖中，在2θ為37～40°、40～43°、44～47°、55～60°、70～74°以及75～80°上有特征峰；xps測得所述電催化材料的ni元素的原子含量為58～84％，mo元素的原子含量為9～29％，fe元素的原子含量為4～26％。
4、可選地，所述nimofe納米合金層的厚度為10～50nm。
5、可選地，所述電催化材料還包括導電基底，所述三維復合材料覆于所述導電基底上；所述導電基底為柔性導電基底或硬質導電基底；所述柔性導電基底為碳布或泡沫金屬中的一種；所述泡沫金屬選自泡沫鎳和泡沫銅中的一種；所述硬質導電基底為碳紙或導電玻璃中的一種。
6、本公開的第二方面提供一種制備本公開第一方面所述電催化材料的方法，該方法包括：
7、s1：將鎳鹽、鉬鹽、鐵鹽與絡合劑進行混合，得到混合溶液；使用ph調節(jié)劑將所述混合溶液調至堿性，得到電解液；
8、s2：將三維ni納米骨架作為工作電極，置于s1得到的所述電解液中，進行電鍍。
9、可選地，步驟s1中所述鎳鹽選自氯化鎳、硫酸鎳和硝酸鎳中的一種或多種，優(yōu)選為氯化鎳；所述鉬鹽選自鉬酸鈉、鉬酸鉀和鉬酸銨中的一種或多種，優(yōu)選為鉬酸鈉；所述鐵鹽選自硫酸亞鐵和氯化亞鐵中的一種或多種，優(yōu)選為硫酸亞鐵；所述絡合劑選自檸檬酸鈉、檸檬酸鉀、乙二胺四乙酸和乙二胺四乙酸二鈉中的一種或多種，優(yōu)選為檸檬酸鈉。
10、可選地，步驟s1中所述鎳鹽、所述鉬鹽、所述鐵鹽與所述絡合劑的質量比為1：(0.03～0.25)：(0.03～0.25)：(0.35～1.50)，優(yōu)選為1：(0.06～0.13)：(0.06～0.13)：(0.45～0.75)；
11、所述鎳鹽的濃度為0.04～0.08g/ml；鉬鹽的濃度為0.002～0.01g/ml；所述鐵鹽的濃度為0.002～0.01g/ml；所述絡合劑的濃度為0.03～0.06g/ml；
12、步驟s1還包括使用ph調節(jié)劑將所述混合溶液的ph調至9以上；所述ph調節(jié)劑包括碳酸鈉、氫氧化鈉和氫氧化鉀中的一種或多種，優(yōu)選為碳酸鈉。
13、可選地，步驟s2中，所述電鍍的條件包括：電流密度為50～300ma/cm2，優(yōu)選為100～200ma/cm2；電鍍時間為200～600s，優(yōu)選為300～560s；參比電極為氯化銀電極、汞/氧化汞電極和飽和甘汞電極中的一種或多種，優(yōu)選為氯化銀電極；對電極為鉑絲和碳棒中的一種或多種，優(yōu)選為鉑絲。
14、可選地，所述三維ni納米骨架的截面直徑為90～120nm，bet比表面積為2.7～2.9m2/g；在所述三維ni納米骨架的xrd圖中，在2θ為37～40°、40～43°、44～47°、55～60°、70～74°以及75～80°上有特征峰。
15、可選地，所述三維ni納米骨架通過如下方法制得：
16、在導電基底上制備氫氧化鎳納米前驅體；使所述氫氧化鎳納米前驅體在還原性氣氛下進行煅燒。
17、可選地，所述還原性氣氛為包含氫氣和惰性氣體的混合氣體；所述氫氣的體積分數(shù)為2％～8％；
18、所述煅燒的條件包括：煅燒溫度為300～500℃，煅燒時間為0.5～2h。
19、本公開第三方面提供由本公開第二方面所述方法制備的電催化材料在電解水析氧電極或析氫電極中的用途。
20、通過上述技術方案，本公開通過制備nimofe納米合金層，并對三維ni納米骨架進行包覆，得到一種自支撐雙功能的電催化材料，實現(xiàn)了電解水催化材料同時具備高催化活性與高穩(wěn)定性的優(yōu)點，且該電催化材料具有雙功能性，可作為高效析氫電極與析氧電極。
21、本公開的其他特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。
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1.一種自支撐雙功能的電催化材料，其特征在于，所述電催化材料包括三維復合材料，所述三維復合材料包含三維Ni納米骨架和包覆在所述三維Ni納米骨架上的NiMoFe納米合金層。
2.根據(jù)權利要求1所述的電催化材料，其中，所述電催化材料的BET比表面積為2.1～2.9m2/g，優(yōu)選為2.3～2.7m2/g；在所述電催化材料的XRD圖中，在2θ為37～40°、40～43°、44～47°、55～60°、70～74°以及75～80°上有特征峰；XPS測得所述電催化材料中Ni元素的原子含量為58～84％，Mo元素的原子含量為9～29％，F(xiàn)e元素的原子含量為4～26％。
3.根據(jù)權利要求1所述的電催化材料，其中，所述NiMoFe納米合金層的厚度為10～50nm。
4.根據(jù)權利要求1所述的電催化材料，其中，所述電催化材料還包括導電基底，所述三維復合材料覆于所述導電基底上；所述導電基底為柔性導電基底或硬質導電基底；所述柔性導電基底為碳布或泡沫金屬中的一種；所述泡沫金屬選自泡沫鎳、泡沫銅中的一種；所述硬質導電基底為碳紙或導電玻璃中的一種。
5.制備權利要求
6.根據(jù)權利要求5所述方法，其中，步驟S1中所述鎳鹽選自氯化鎳、硫酸鎳和硝酸鎳中的一種或多種，優(yōu)選為氯化鎳；所述鉬鹽選自鉬酸鈉、鉬酸鉀和鉬酸銨中的一種或多種，優(yōu)選為鉬酸鈉；所述鐵鹽選自硫酸亞鐵和氯化亞鐵中的一種或多種，優(yōu)選為硫酸亞鐵；所述絡合劑選自檸檬酸鈉、檸檬酸鉀、乙二胺四乙酸和乙二胺四乙酸二鈉中的一種或多種，優(yōu)選為檸檬酸鈉。
7.根據(jù)權利要求5所述方法，其中，步驟S1中所述鎳鹽、所述鉬鹽、所述鐵鹽與所述絡合劑的質量比為1：(0.03～0.25)：(0.03～0.25)：(0.35～1.50)，優(yōu)選為1：(0.06～0.13)：(0.06～0.13)：(0.45～0.75)；
8.根據(jù)權利要求5所述方法，其中，步驟S2中，所述電鍍的條件包括：電流密度為50～300mA/cm2，優(yōu)選為100～200mA/cm2；電鍍時間為200～600s，優(yōu)選為300～560s；參比電極為氯化銀電極、汞/氧化汞電極和飽和甘汞電極中的一種或多種，優(yōu)選為氯化銀電極；對電極為鉑絲和碳棒中的一種或多種，優(yōu)選為鉑絲。
9.根據(jù)權利要求5所述方法，其中，所述三維Ni納米骨架的截面直徑為90～120nm，BET比表面積為2.7～2.9m2/g；在所述三維Ni納米骨架的XRD圖中，在2θ為37～40°、40～43°、44～47°、55～60°、70～74°以及75～80°上有特征峰。
10.根據(jù)權利要求5所述方法，其中，所述三維Ni納米骨架通過如下方法制得：
11.根據(jù)權利要求10所述方法，其中，所述還原性氣氛為包含氫氣和惰性氣體的混合氣體；所述氫氣的體積分數(shù)為2％～8％；
12.權利要求5～11中任意一項所述方法制備的電催化材料在電解水析氧電極或析氫電極中的用途。
...【技術特征摘要】
1.一種自支撐雙功能的電催化材料，其特征在于，所述電催化材料包括三維復合材料，所述三維復合材料包含三維ni納米骨架和包覆在所述三維ni納米骨架上的nimofe納米合金層。
2.根據(jù)權利要求1所述的電催化材料，其中，所述電催化材料的bet比表面積為2.1～2.9m2/g，優(yōu)選為2.3～2.7m2/g；在所述電催化材料的xrd圖中，在2θ為37～40°、40～43°、44～47°、55～60°、70～74°以及75～80°上有特征峰；xps測得所述電催化材料中ni元素的原子含量為58～84％，mo元素的原子含量為9～29％，fe元素的原子含量為4～26％。
3.根據(jù)權利要求1所述的電催化材料，其中，所述nimofe納米合金層的厚度為10～50nm。
4.根據(jù)權利要求1所述的電催化材料，其中，所述電催化材料還包括導電基底，所述三維復合材料覆于所述導電基底上；所述導電基底為柔性導電基底或硬質導電基底；所述柔性導電基底為碳布或泡沫金屬中的一種；所述泡沫金屬選自泡沫鎳、泡沫銅中的一種；所述硬質導電基底為碳紙或導電玻璃中的一種。
5.制備權利要求1～4中任意一項所述電催化材料的方法，其特征在于，該方法包括：
6.根據(jù)權利要求5所述方法，其中，步驟s1中所述鎳鹽選自氯化鎳、硫酸鎳和硝酸鎳中的一種或多種，優(yōu)選為氯化鎳；所述鉬鹽選自鉬酸鈉、鉬酸鉀和鉬酸銨中的一種或多種，優(yōu)選為鉬酸鈉；所述鐵鹽選自硫酸亞鐵和氯化亞鐵中的一種或多種，優(yōu)選為硫酸亞...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：安一鳴，孫飛，顧方偉，
申請(專利權)人：中國石油化工股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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