[发明专利]一种三维结构的NiWP电催化剂材料制备及应用

说明书

一种三维结构的NiWP电催化剂材料制备及应用，属于清洁能源材料技术领域。首先将泡沫金属(阴极基体材料)和纯镍片(阳极材料)经预处理去除表面氧化物及杂质；镍盐和钨盐按比例分别加入蒸馏水，在磁力搅拌器中溶解均匀，将络合剂加入含钨盐溶液中搅拌溶解，将以上两种溶液混合后再加入磷盐搅拌均匀，最后用硫酸和氨水调节镀液的pH值；采用直流稳压电源，在一定的电流密度和温度下进行电沉积，沉积一定时间后用去离子水清洗试样表面，室温下干燥得到三维结构的NiWP电催化剂。用此方法制备的电催化剂对经电化学测试可有效降低水电解析氢反应和析氧反应的过电势，且具有良好的循环稳定性。工艺步骤简单易操作，具有良好的应用前景。

技术领域：

本发明提供了一种三维结构的NiWP双功能电催化剂材料制备技术，属于清洁能源制备技术领域。

背景技术：

近几年来，随着环境污染的加剧和人类对非可再生资源认识的加深，为了缓解日益严峻的环境问题，人类急需寻求一种更清洁、更廉价、更方便和更有效的能源供给方式。氢气作为21世纪最理想的清洁能源，逐渐引起全球科学家的关注。电解水技术基于电化学分解水的原理，利用可再生电能或太阳能驱动水分解为氢气和氧气，被认为是最有前途和可持续性的产氢途径。然而，电解水制氢技术需要高活性、高稳定性的氢析出和氧析出催化剂使电解反应经济节能。在电解水析氢反应(HER)中，Pt系金属是最好的催化剂，阳极析氧反应(OER)对氧化铱、氧化钌也具有高度依赖性(铂、铱、钌均属于贵金属)，但因地壳储量稀少和高成本限制了其大规模的应用，故制备高催化效能的非贵金属电催化剂势在必行。

目前非贵金属电催化剂的研究主要集中在二元磷化物，虽然价格低廉但催化性能不如Pt系金属好。有研究表明，在二元金属磷化物(Ni-P,Co-P)中引入第三种金属元素可以调节材料的晶体和电子结构，因此提高其电催化性能。

合金化过程是一种有效的方法去探索多相催化剂潜在的功能，以及协调它们的表面特性，如电子结构、协同耦合效应和润湿性等，从而实现高效率和长期稳定性的双赢。在二元磷化镍中引入第三种金属可以改变催化剂表面结构，获得更多的催化活性位点；小孔径的泡沫金属三维结构有利于增大沉积层的比表面积，加快催化剂和电极之间的电子转移，因此提高催化剂的催化性能。泡沫铜具有良好的导电性，泡沫镍有利于增大沉积层比表面积，制备过程中分别以泡沫铜和泡沫镍为基底以获得不同的表面结构，对沉积层的不同形貌做对比研究。

本发明的重要创新是以三维泡沫镍和泡沫铜为基底通过电沉积一步法制备双功能的NiWP电催化剂，经电化学测试在碱性电解质中该催化剂对析氢和析氧反应均有较小的过电位和塔菲尔斜率，具有较好的催化性能；经稳定性测试表明具有较好的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维结构的非贵金属NiWP双功能电催化剂的方法，其核心技术创新是通过设计镀液中各组分浓度和控制电沉积工艺参数一步法制备具有最优Ni/W比的电催化材料，使得在碱性电解质中该催化剂对析氢和析氧反应均有较小的过电位和塔菲尔斜率，具有较好的催化性能；经稳定性测试表明具有较好的稳定性。该方法具有工艺操作简单，过程易控制，环境友好等优点。

本发明的技术方案，包括以下步骤：

(1)将泡沫金属基底和纯镍片经预处理去除氧化物及表面杂质；

(2)镍盐和钨盐分别加入蒸馏水，搅拌溶解均匀；将络合剂加入到钨盐溶液中搅拌溶解；将以上钨盐溶液和镍盐溶液混合后加入磷盐搅拌均匀，最后用浓硫酸和氨水调节镀液的pH值为酸性，优选pH为4-6，进一步优选pH为5，得到渡液；

(3)将步骤(1)基底作为阴极，纯镍片作为阳极，采用直流稳压电源，在一定的电流密度和沉积温度下进行电沉积过程，电沉积一段时间后用去离子水清洗试样表面，室温下干燥得到三维结构的NiWP电催化剂；然后进行电化学测试。