[发明专利]三元磷化镍铁纳米片、其制备方法及电解水的用途

说明书

本发明提供一种三元磷化镍铁纳米片，其是生长于基底上的Ni_xFe_(1‑x)P₂纳米片，0＜x＜1，纳米片的尺寸为500～1000nm，厚度为10～30nm。本发明还提出所述三元磷化镍铁纳米片的制备方法和用途。本发明的磷化镍铁纳米片的结晶性好，化学性质稳定，电化学活性高，应用于电化学析氢，在达到10mA/cm²的电流密度时，其过电位低至151mV。应用于电化学析氧，在达到10mA/cm²的电流密度时，其过电位低至200mV。应用于电化学全解水也具有非常好的性能，在达到10mA/cm²的电流密度时，其所需外加电压仅为1.51V。

技术领域

本发明属于无极化合物纳米材料领域，具体涉及一种催化电解水的纳米材料及其制备和应用。

背景技术

全球能源危机和化石燃料产生的相关环境问题愈来愈严重，更加高效地利用可再生能源变得越来越为重要。氢能的可持续性和环保特性使其成为取代化石燃料最有前途的候选材料之一。生产氢气的方法有很多，最可行的方法是电化学分解水，它是由析氢反应(HER，2H⁺+2e^-→H₂)和析氧反应(OER，2H₂O→4e^-+4H⁺+O₂)组成的。但是，析氢反应和析氧反应过程都需要在足够大的超电位条件下才能达到最佳的反应速率。特别是对于OER，该反应需要转移四个电子并在该过程中形成共价的O-O键。这会使该反应的动力学过程变得缓慢，因此设计合适的电催化剂具有很大的挑战性。为了减少全解水过程中的过电位，开发具有高活性的双功能电催化剂是非常重要的。目前，Pt基材料是性能最佳的析氢电催化剂，而Ir/Ru基材料则被认为是最理想的析氧催化剂。然而，这些贵金属材料的高成本和低丰度在很大程度上妨碍了它们的大规模应用。因此，开发廉价且催化活性高的新型电催化剂是非常迫切的。

在过去几年中，过渡金属化合物材料已经广泛应用于HER，OER和全解水。在这些材料中，金属磷化物不管是在酸性溶液还是碱性溶液中都表现除了高效的电析氢性能。而层状双氢氧化物(LDHs)已被广泛研究作为高效的析氧电催化剂。然而，LDHs的电导率低并且活性位点十分有限，这在很大程度上阻碍了它们的大规模应用。最近，金属磷化物由于比LDH具有更好的导电性，因此也表现出了高的电化学析氧性能。同时，由于在析氧反应过程中，在金属磷化物表面可形成具有LDH特征的金属氧化/氢氧化物。因此，近年来，许多二元过渡金属磷化物作为高效的双功能催化剂被用于全解水过程中。与二元过渡金属磷化物相比，三元过渡金属磷化物通过调整催化剂的电子结构，能够进一步提高其电催化性能。因而，研究一种简易制备三元过渡金属磷化物的方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种磷化镍铁纳米片、其制备方法及用途。本发明提出的纳米片的制备方法步骤简单、操作方便且成本低，制备得到的磷化镍铁纳米片结晶性好，化学性质稳定，电化学活性高，应用于电化学全解水有非常好的性能，电化学析氢，析氧的稳定性好。具有广阔的应用前景。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种三元磷化镍铁纳米片，是生长于基底上的Ni_xFe_(1-x)P₂纳米片，0＜x＜1，纳米片的尺寸为500～1000nm，厚度为10～30nm。

进一步地，所述基底为碳布、碳纸或碳毡，所述纳米片为具有结晶性的Ni_xFe_(1-x)P₂纳米片，垂直生长于基底上。

所述三元磷化镍铁纳米片的制备方法，包括步骤：

(1)通过水热反应，在基底上生长氢氧化镍铁纳米片；