[发明专利]一种自支撑金属掺杂氮化铁电极的制备方法、产品及应用

说明书

本发明涉及一种自支撑金属掺杂氮化铁电极的制备方法、产品及应用。目的是解决现有的电极在制备过程中存在的对设备要求高、制备繁琐、反应条件严格的技术问题。本发明的技术方案是：首先以铁箔作为阳极，铂片作为阴极，含0.1mol/L NH₄F和1mol/L H₂O的乙二醇溶液作为电解液，采用20～65V直流恒压将铁箔氧化10～120分钟，生成以铁为导电基底的多孔氧化铁；然后在含不同浓度金属盐的电解液中进行电沉积，将金属掺杂到多孔氧化铁中。将金属掺杂后的氧化铁置于氨气中于400～700℃氮化反应30～120分钟，即制得自支撑金属掺杂的氮化铁薄膜电极。本发明制备工艺简单，成本低，制备的电极结构稳定，可直接应用于电催化析氧反应中，具有催化性能高和高循环稳定性等优点。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种自支撑金属掺杂氮化铁电极的制备方法、产品及应用。

背景技术

全球变暖和环境危机日益加剧，不可再生能源消耗不断增加，化石燃料储量迅速衰减，人类未来迫切需要利用清洁、可持续的能源，如太阳能、风能、水能和核能以及其产生的电能。因此，解决新能源的转换和存储问题迫在眉睫。电解水被认为是一种可以直接、高效制取清洁能源氢气的技术，已经引起广泛关注。电解水过程包括阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)。OER过程涉及四电子转移，需要较高的过电势，是水分解全反应的瓶颈。目前，贵金属氧化物RuO₂或IrO₂是析氧反应常见的催化剂，但是其价格昂贵，生产成本高，因此寻找高效、廉价的催化剂材料具有非常重要的现实意义。

金属元素Fe是地壳中储量最丰富的过渡金属，在OER的电催化中，Fe元素已经被广泛应用于很多有潜力的催化剂中。其中，常见的铁的氧化物和硫化物有较差导电性，会导致导电基底与催化剂、催化剂与电解液之间的形成肖特基能垒，引起较大的过电势。因此，开发具有较高导电性的Fe基OER催化剂非常重要。值得注意的是，氮化铁具有类金属性质，可以保证较快的电子传输，是一种很有吸引力的催化剂。通过对其结构、组成等的合理设计调控，如构筑纳米颗粒，纳米层，纳米线，纳米链等结构，可以有效增大材料的比表面积，提高催化位点的利用率，有望取代贵金属在电化学催化中的应用和发展。其中具有高导电率的多孔结构可以有效地促进电催化过程中反应物和产物的传质、加快电子传导，增强材料的润湿性。对于发生在OH^-、催化剂和O₂三相界面处的OER反应，高润湿性的多孔、亲水、疏气的催化剂可以有效促进离子的吸附、传导和气泡的脱附。不过，具有单种金属位点的Fe催化剂由于对OER过程的中间产物*OH吸附过强，导致催化剂表面产生随后的*OOH，*O中间体和O₂产物的过程极其困难。因此向氮化铁中引入多种金属位点可以有效地平衡OER过程中对反应中间物种的吸附、脱附结合能，从而提高催化剂的催化活性。