[发明专利]一种氮化镍纳米复合电催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种氮化镍纳米复合电催化材料及其制备方法和应用，氮化镍纳米复合电催化材料的结构为六方晶系，颗粒尺寸为100‑200nm，按照下述步骤进行：制备氮化镍纳米材料，氮化镍纳米材料的烧结以及铂纳米颗粒的沉积。该催化剂由氮化镍纳米材料和金属铂颗粒(Ni₃N/Pt)复合而成，氮化镍具有高的电导率，与Pt复合可以形成无肖特基势垒阻碍的电子通路，配以合适的金属氢氧化物催化活性位点，可以有效提高电解水过程中的电子转移效率，从而降低电解水制氢的启动过电位和贵金属Pt的消耗。

技术领域

本发明涉及催化技术领域，更具体地，涉及一种金属/氮化镍复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，由于化石燃料的大量开采与使用，导致二氧化碳排放过量，引起全球变暖等气候问题，这就迫切要求人们开发可持续的新能源来代替化石能源。氢能，作为一种高能量密度且环境友好的能源，被认为是一种非常有潜力的替代者，其开发与利用对于降低二氧化碳排放，进而减缓全球温室效应有着重大意义。在众多的产氢、制氢方法中，碱性电催化制氢因其生产安全、产物纯度高而受到广泛的关注。然而，碱性条件下缓慢的制氢动力学过程却严重阻碍了电催化剂的性能发挥。即使是公认为最优秀的铂催化剂，其塔菲尔斜率以及过电位都远未达到最佳水平。这使得实际产氢过程中的催化剂用量及电能消耗增加，导致制氢成本大幅上升。虽然一些研究表明金属氧化物和氢氧化物与铂复合，可以明显改善电化学反应动力学过程，提升制氢催化性能。但考虑到功函数的差距，这样的复合催化剂在半导体与金属的界面处通常会形成肖特基势垒，阻碍电子传递，进而限制催化剂性能的充分发挥。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种性能优越的碱性产氢电催化剂。该催化剂由氮化镍纳米材料和金属铂颗粒(Ni₃N/Pt)复合而成，氮化镍具有高的电导率，与Pt复合可以形成无肖特基势垒阻碍的电子通路，配以合适的金属氢氧化物催化活性位点，可以有效提高电解水过程中的电子转移效率，从而降低电解水制氢的启动过电位和贵金属Pt的消耗。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种氮化镍纳米复合电催化材料，由氮化镍纳米材料和沉积在氮化镍纳米材料中的铂纳米颗粒组成，氮化镍纳米材料的结构为六方晶系，颗粒尺寸为100-200nm，铂纳米颗粒尺寸为8—15nm。

优选的，氮化镍纳米材料的颗粒尺寸为150-180nm，铂纳米颗粒尺寸为10—12nm。

按照下述步骤进行：

步骤1，将镍盐晶体、金属氢氧化物和尿素混合后，向上述混合物中加入无水乙醇搅拌混合均匀后置于150-200℃温度下反应20-30h，反应结束后将反应产物超声清洗后置于60-100℃条件下恒温干燥5-8h，得到氮化镍粉末；

步骤2，将步骤1得到的氮化镍粉末压制成片状氮化镍，将上述片状氮化镍置于真空管式炉中烧结，烧结条件：真空度为3-7×10^-4Pa，温度为400-500℃，保温时间为1-3h，自然冷却后得到片状氮化镍样品；

步骤3，将片状氮化镍样品固定在镍金属片上作为电化学沉积系统的工作电极，用石墨棒和饱和甘汞电极分别作为电化学沉积系统的对电极和参比电极，采用线性扫描伏安法在-1.8V--0.8V之间来回扫描以在片状氮化镍上沉积制备铂纳米颗粒，扫描速率为3-8mV/s。

在步骤1中，所述镍盐晶体采用六水合硫酸镍或者六水合氯化镍，所述金属氢氧化物采用氢氧化钠或者氢氧化钾。

在步骤1中，反应温度为160-180℃，反应时间为22-26h，超声清洗采用蒸馏水以及无水乙醇分别清洗4-6次，干燥温度为75-85℃，干燥时间为5-6h。

在步骤2中，真空度为4-6×10^-4Pa，温度为420-460℃，保温时间为1.5—2h。