[发明专利]一种多孔Ni-N-O纳米颗粒材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供的一种多孔Ni‑N‑O纳米颗粒材料及其制备方法和应用，属于催化剂制备技术领域。首先，在导电基底上制备Ni₃N纳米颗粒，然后进行两步氧化反应，通过调节两步氧化反应中的保温时间和二次氧化时间来调控前驱体Ni₃N颗粒的多孔性与Ni₃N/NiO界面结构的形成，从而获得具有孔洞结构的多孔Ni‑N‑O纳米颗粒。本发明中Ni₃N与NiO构成Ni‑N‑O复合纳米界面，这种界面增加了活性位点并增强了催化活性；在纳米颗粒内部与表层形成孔洞，为复合纳米界面的形成提供了更多的反应位点。

技术领域

本发明属于催化剂制备技术领域，具体涉及一种多孔Ni-N-O纳米颗粒材料及其制备方法，以及在电催化析氧反应中的应用。

背景技术

能源枯竭与环境污染已成为当今急需解决的难题，清洁可再生能源的开发备受关注。氢能作为清洁能源的重要候选方案，发展高效低成本的规模化制氢技术与供能设备具有非常重大的社会经济效益。利用电解水制取氢气是一种重要的制氢方式。根据不同的电极反应，电解池阳极产生氧气，阴极产生氢气。随着技术进步，阳极催化剂的析氧活性成为了限制器件整体工作效率的主要因素。传统贵金属材料成本高昂，而非贵金属材料电解效率较低，耗电量偏高，以及电催化剂可持续工作时间较短，诸多因素限制了其规模化应用。

Zheng等(J.Mater.Chem.A 2016,4,5713–5718)报道了一种高催化活性的TiN/NiO纳米枝，但是TiN/NiO纳米枝较低的电解稳定性限制了其进一步应用；同样地，Yu等(Adv.Energy Mater.2017,7,1702734)报道了一种基于MOF模板制备的Pd@PdO-Co₃O₄纳米方块用于电化学析氧，但是大电流持续电解稳定性较差，不适于器件集成；Lee等(ACS Nano2017,11,5500-5509)报道了一种多金属CuNi@Ir纳米框架结构电极，但是材料合成控制性要求高，工艺复杂。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的缺陷，提出了一种多孔Ni-N-O纳米颗粒材料及其制备方法。本发明利用氧化反应过程中镍、氮、氧离子的不同迁移速率，从而在Ni₃N纳米颗粒内部和表层形成孔洞，孔洞上附着NiO，Ni-N-O界面的形成提供了更多的反应位点。本发明提供的负载多孔Ni-N-O纳米颗粒的电极在电解水的析氧反应中表现出高催化活性与持续电解稳定性，且具有低成本、合成工艺简单、易于实现大规模生产等优点。

本发明的技术方案如下：

一种多孔Ni-N-O纳米颗粒材料，其特征在于，所述纳米颗粒材料包括表面和内部带孔洞的Ni₃N颗粒，以及附着于Ni₃N颗粒表面和孔壁上的NiO，所述Ni₃N颗粒的直径为50～100nm，NiO的直径为5～70nm。其中，Ni₃N起结构支撑与加快电子传输的作用；NiO在Ni₃N表面经原位氧化生成，起增强氧催化反应速率的作用。

一种多孔Ni-N-O纳米颗粒材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在导电基底上制备Ni₃N纳米颗粒；

步骤2：石英管保持两端口打开状态，管内由空气充满，加热石英管，使其加热中心温度达到300～500℃；

步骤3：将步骤1得到的负载有Ni₃N纳米颗粒的导电基底放置于瓷舟中，并将瓷舟推至石英管加热中心进行氧化反应，在300～500℃温度下保温0～10min，保温结束后，关闭加热电源，1～60min后，从石英管中取出导电基底，即可在导电基底上得到多孔Ni-N-O纳米颗粒材料。

进一步地，步骤1的具体实施步骤为：