[发明专利]一种原位自牺牲模板合成镍铁水滑石纳米阵列复合结构的方法及应用

说明书

本发明属于材料科学技术领域及电催化技术领域，具体涉及一种原位自牺牲模板合成镍铁水滑石纳米阵列复合结构的方法。该方法以镍铁合金片作为电极基底以及反应模板，通过原位自牺牲模板的方法在镍铁合金片上生长镍铁水滑石纳米阵列复合结构作为电解水析氧反应催化剂，将生长有镍铁水滑石纳米阵列复合结构的镍铁合金片置于电化学三电极测试体系中，在碱性介质中作电解水析氧电极，可以使电解水析氧反应在较低的外加电压下高效进行，并且具有良好的稳定性。该发明所涉及的制备工艺简单，所需原料廉价且来源广泛，节约成本，有利于工业化生产，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域及电催化技术领域，具体涉及一种原位自牺牲模板合成镍铁水滑石纳米阵列复合结构的方法及其产品和应用。

背景技术

由于化石能源储量有限以及燃烧带来的环境污染，能源问题成为了人类社会亟待解决的重大难题。电催化水分解提供了一种可持续的策略，通过阴极析氢反应和阳极析氧反应提供清洁能源。对于电解水析氧反应，由于质子耦合电子转移的多个步骤，其在动力学上是不利的，因此有效的催化剂是必不可少的。迄今为止，贵金属氧化物，例如二氧化钌和二氧化铱，已经在电解水析氧反应的催化上表现出高性能。但是，这些贵金属的高昂价格和稀缺性严重阻碍了它们的实际应用。因此，迫切需要开发具有低价格和优异性能的新催化剂。

层状双金属氢氧化物，也称为水滑石，由于氢氧根阴离子配位的二价和三价金属阳离子层组成。其在催化剂，阻燃剂和生物材料等领域得到了广泛的研究。近年来，它们作为超级电容器和燃料电池中电活性材料的应用引起了人们的广泛关注。为开发具有低价格和优异性能的新催化剂作为传统电解水析氧反应催化剂的替代品，应该是开发许多能源储存和转化过程的实际应用的关键，包括水分解和金属空气电池。

在众多水滑石结构中，镍与铁形成的水滑石结构及其衍生物具有极高的电解水析氧反应催化活性，被认为是最有可能取代贵金属的电催化剂。然而，实际应用中，水滑石材料还存在比表面积小、导电性差、易聚集和稳定性差等缺点。为了克服以上缺点，研究者通常将一些碳材料如石墨烯(GR)和碳纳米管(CNT)等材料嵌插于水滑石层间，一则能提高复合材料的导电性，二则阻止水滑石聚集，改善其稳定性(如中国专利CN201510964020.5)；中国专利CN201610887588.6采用微波加热冷凝回流的方式制备得到镍铁水滑石结构纳米片，具有超薄、大面积的结构形貌特征；中国专利201610565736.2公开了一种羟基氧化铁-镍铁水滑石一体化析氧电极，具有较高的催化活性和稳定性；此外，高温锻炼法、电沉积法也是现有技术中常用的合成镍铁水滑石材料的方法。

然而现阶段报道的这类材料的合成方法具有局限性，工艺复杂、成本高、能耗大等；另外通常是需要将制得的电催化剂通过滴涂，喷涂等方法负载在玻碳电极或者二维基底上，这些方法就需要额外添加粘结剂，催化剂在电极表面结合不牢、接触不良、分散不匀都会导致电荷传输受阻，严重影响电极的催化活性以及稳定性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种原位自牺牲模板合成镍铁水滑石纳米阵列复合结构的方法，以镍铁合金片作为电极材料和反应模板，预处理镍铁合金片，然后利用水热反应在较温和的条件下在镍铁合金片表面生长镍铁水滑石纳米阵列复合结构，作电解水析氧反应催化活性中心，与电极材料镍铁合金片紧密结合，将生长有镍铁水滑石纳米阵列复合结构的镍铁合金片置于电化学三电极体系中作电解水析氧电极。

因此，本发明的目的之一在于提供一种原位自牺牲模板合成镍铁水滑石纳米阵列复合结构的方法，具体操作如下：

a)镍铁合金片的预处理：将镍铁合金片反复用水、乙醇冲洗去除表面杂质，置于无水乙醇中超声处理1-5分钟，取出用超纯水反复冲洗；再在1mol/L盐酸中超声酸化活化1-6分钟，取出用超纯水反复冲洗；然后置于60-80℃烘箱中烘干60-80分钟；